化学工程与化学工艺的区别精选(十四篇)

序言：作为思想的载体和知识的探索者，写作是一种独特的艺术，我们为您准备了不同风格的14篇化学工程与化学工艺的区别，期待它们能激发您的灵感。

篇1

【关键词】化学工艺学 教学改革 石油化工

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】1674－4810（2012）16－0001－02

广东石油化工学院坐落于中国南方最大的石油生产基地——广东省茂名市，为华南地区唯一一所石油化工特色院校。学校的化学工程与工艺专业是国家级特色专业建设点，毕业生遍布全国各地的石油化工行业，就业具有很强的针对性，深受用人单位欢迎。广东石油化工学院化学工程与工艺专业人才培养的目标是为社会输送具备化学工程与工艺基本理论、基本知识和基本技能，具有较强工程实践能力、良好的创新意识和较高综合工程素质的人才。毕业生能在石油炼制、石油化工、能源、环保、材料等部门从事工程设计、技术开发、生产管理等方面的工作。化学工艺学作为该专业一门重要的专业课，是基础化学、化工热力学、化学反应工程、化工原理等课程的综合应用。通过该课程的学习，要求学生掌握化工生产的基本原理、主要化工产品的生产方法、工艺流程等。在化学工艺学课程教学中，应注重强化学生的工程意识和基础知识的实际应用能力。

一 结合石油化工特色，创建课程群

从人才培养的角度看，石油化工高校培养的毕业生应具有较强的工程实践能力、良好的创新意识和较高的综合工程素质，以适应石油炼制或石油化工等相关行业的人才需求。毕业生不但要懂得某一专业的基础理论，还要具有某一岗位所需要的生产操作和组织能力，并能在现场进行技术操作和改进，解决生产实际问题。因此，广东石油化工学院石油化工专业所培养的人才具有基层性、实用性和技术性，这是本专业区别于其他普通高校教育的一大特色。根据本专业的特点和学生的基础及接受能力，以培养学生的综合实践操作能力和创新能力为主线，可将石油炼制工程、石油化工产品分析技术、石油产品应用技术与开发、石油储运基础等课程创建一个课程群，围绕本专业人才培养目标，对各课程的主要内容进行精选优化，调整化学工艺学的教学内容。可从这些主干课程中选择一些典型的石化产品，作为化学工艺学的教学案例，分析这些石化产品的生产方法、工艺流程、工艺参数、条件影响等。这种处理方式对课程群里面其他的课程教学可起到辅助和巩固的作用。

二 优化和更新化学工艺学的教学内容

根据教学大纲对教学内容进行处理，把各章节内容按照了解、掌握、应用、设计等不同要求作详细的定位。例如，对于工业生产中已经不采用的生产方法，只要求学生了解某种工业过程可能有多种生产方法即可；对需掌握的内容，可以要求学生对各种生产方法进行比较，分析其适用范围、效果、操作条件、能耗等，从技术经济的角度选择生产方法。学生不仅要掌握教材介绍的几种基本化工产品的生产，而且其生产--方法要会应用，能够举一反三，要能设计出一些简单的生产工艺。例如，在讲授合成氨时，可以先引入哈伯法合成氨工艺的历史及哈伯本人的一些简介，既可以提起学生对合成氨工艺的学习兴趣，又可以了解一些名人的事迹。当学生有了兴趣之后，可以从不同的原料角度，引入不同的生产工艺，如以煤为原料，以天然气为原料，以重油为原料的合成氨工艺，其各自的工段均有所不同，可以在讲授完后让学生总结各不同原料合成氨工艺的异同，这样学生学完之后印象深刻，可以吃透这部分内容。

另外，在组织化学工艺学教学内容时，应着重突出石油化工特色。在第一次化学工艺学讲授过程中，让大家认识到本门课程的针对性、重要性及实用性。在第一章“绪论”部分组织讲授材料的时候，可以结合茂名炼油产业链，围绕几个关键词如石油化工、石油炼制、乙烯工业、茂名乙烯、石化工业区等展开内容学习。例如，乙烯工业是指以石油馏分为原料裂解生产乙烯为主，同时生产丙烯、丁烯、芳烃等产品的生产过程。乙烯是石油化工的基本有机原料，目前约有75%的石油化工产品由乙烯生产。乙烯主要用来生产聚乙烯、聚氯乙烯、苯乙烯等多种重要的有机化工产品，乙烯产量已成为衡量一个国家石油化工工业发展水平的标志。再如，对乙烯产品结构的介绍（塑料类、合成橡胶类、液体化工类）；对长三角、珠三角、环渤海湾大型炼化一体化企业集群及沿长江产业带分布的介绍等，这些内容可以让学生清晰地认识未来的就业方向、就业区域和就业前景。在这种情况下，学生会充分认识到化学工艺学这门课程的针对性和重要性，在后面的时间里自然会重视这门课程的学习，因为这些内容的学习与他们未来的就业息息相关。

围绕本专业人才培养目标，针对毕业生的就业特点，广东石油化工学院的化学工艺学这门课应该调整教学内容，注重重点内容的凝练。其重点内容应围绕乙烯工业展开。

如以茂名石化乙烯为例，学习乙烯生产原理、工艺技术、产品应用等基本知识；以茂名石化工业区为例，学习乙烯下游产业链、产品应用等基本知识。

乙烯生产原理主要包括乙烯生产过程中的化学反应规律、反应机理、热力学及动力学分析，乙烯生产的工艺参数和操作指标（如原料性质及评价、裂解温度、烃分压、停留时间、裂解深度等）及乙烯生产的工艺过程等。

三 适当引入双语教学

篇2

关键词：化学工程；节能；绿色化学；工程工艺

中图分类号：TE08 文献标识码： A

前言：进入21世纪以来，环境问题越来越严重，而且，随着人口的继续增加，能源的持续减少，不可再生资源已经临近枯竭，生活垃圾核工业污染物也在无情的破坏着生态环境，人与自然的矛盾就这样不断被激化。在化学生产过程中，通过不再使用有毒、有害的物质，不再产生以及处理废物，生产无污染无伤害的目的正是绿色化学的设想。这虽然只是设想，但通过改进化学技术和方法，是可以达到减少有危害的化学产物的，绿色化学工程与工艺正是为了保证人类健康、生态环境，为促进化学工业节能目标而实施的。

一、绿色化学工业的概念

总结我们前面所阐述的，我们可以把其定义为无污染化学，所以在进行绿色化学工艺的过程中所产生的某种手段就是绿色化学工业技术，利用其原理从根源对普通化学反应产生的破坏进行整治。就绿色化学的特点来说，有以下两点，第一，绿色化学的本质就在于适中保持人与自然的和谐相处，近几年的快速发展而导致的环境破坏也就加速了绿色化学的快速发展；第二呢，绿色化学形成的结果是对环境友好的，绿色化学可以渐渐对付各种环境中产生的不利人类和自然发展

的因素。

但是究其根基，绿色化学是对环境的保护以及防范；而我们所说的环境化学就是对预防之后而无法达到效果的环境进行进一步的革新和处理，所以绿色化学和环境化学在起点和终点都是不一样的。那么在其反应过程中，对于有害物质进行摈弃，就可以制止不利产物的生成，但是在当前发展来看，这种想法只停留在表层，但是我们相信，通过科学家们的不断努力，这种想法终究会实现的。

二、传统化学与绿色化学的根本区别

化学可以理解为是研究从反应物向其生成物转化的的科学。传统化学在一定程度上是以资源过渡消耗和环境严重污染为代价的先污染后治理的化学工艺，其导致的危害是资源不可再生和环境污染，严重地威胁着人类生存和可持续发展，如目前全世界每年产生的废物达3-4 亿吨；而绿色化学（也称为环境友好化学）是从源头上防止环境污染的新兴科学。虽然传统的化学与绿色化学都为人类生活做出了巨大贡献，但绿色化学的根本思想是运用高选择性和原子经济性的反应，使用无毒无害的助剂、原料，生成环境友好的产品，而且经济合理，从而在节约资源的同时变废为宝。

绿色化学是对传统化学思维模式的革新和发展，也就是说，绿色化学可简单地描述为在化工生产反应过程中，改变了传统化学的“先污染后治理”，是“从源头上消除污染”，尽量不使用有毒有害物质，并减少或不生产废弃物和有毒有害物质。近年来的绿色化学发展，充分体现了绿色化学与可持续发展之间的密切关系，

因此，绿色化学也被称为“绿色与可持续化学”。

三、绿色化学应遵循的基本原则

1、污染预防优于末端治理污染；

2、尽可能的不用分离溶剂、试剂等辅助物质，若是不得已使用时，也应该是无毒、无害的；

3、在采用生产方法中尽量不使用和不产生对人类健康和对环境有毒有害的物质；

4、合成方法应具原子经济性（atom economy），原料分子中的原子更多或全部地进入最终的产品是原子经济性的核心目标。绿色化学的原子经济性有两个显著有点：一是最大程度地利用了原材料，二是最大程度地减少排放废弃物；

5、使用高选择性的催化剂优于化学计量试剂；

6、生产过程能耗应最低且在温和的压力和温度下进行；

7、设计具有高使用效益、低环境毒性的化学品；

8、在技术可行和经济合理的前提下，尽可能地使用可再生原料；

9、尽量减少或避免非必要的衍生反应步骤（如使用物理化学过程、屏蔽基团、保护复原的临时性变更等）；

10、选择参与化学过程的物质，尽量避免发生意外事故的风险；

11、化学产品在使用完后应能降解成可以进入自然生态循环无害的物质；

12、发展适时分析技术以监控有害物质的形成。

四、绿色化学工程与工艺的开发

传统的化学工程与工艺对有害污染物的处理很被动，有滞后性，并且达不到根除污染物的效果，不但治理成本高，而且治标不治本。比如利用烟气除尘、脱硫，虽然净化了气体，却把污染物转化成了废渣废水，不但没有解决问题，反应复杂了处理方式。绿色化学工程与工艺，以零排放、清洁生产为原则，从化学反应着手，对污染进行有效的防止和控制。

1、采用绿色化学原料

化学生产原料是决定化学生产流程和工艺的主要因素，传统化学工程采用的绿色原料大多为不可再生能源，选取这种化学材料，不仅增大了我国不可再生能源的消耗量，同时也增加了化学生产污染物质的排放量，所以采用绿色化学原料是绿色化学工程重点研发项目，选用可再生、无污染的化学原料，如自然物质、绿色化学物质等。苞米杆、芦苇、纤维植物等农副产品废弃物，这些物质是典型的绿色化学原料，将其投入到化工生产中，可以转化成醇、酮、酸类的化学品，在转化过程中，这些化学原料只会产生氢气，不会产生任何有毒、有害物质。

2、采用高效高选择性的反应原料

对于化学工业来说，化学反应是决定化学工业生产过程中生产成本和生产难度、充分利用化学资源等各方面的重要性因素。可以降低工业生产的成本，而且能够提高产物纯度，减少无效反应产物的排放，节约化学资源，在化学工业中，有机物的反应复杂，研究机制不确定，所以选择合适的反应原料，不断提高工业技术是对化学工业的发展有着重要的意义。

3、提高化学反应的选择性

烃类选择性氧化是一类具有强放热性的反应，石油化工工业中时常发生这种反应，但是，它的生成物不稳定，很容易被进一步氧化，生成H2O和CO2。在各类的催化反应中，此反应一般不会被选择，因为有时生成物中还会存在同分异构提，不利于得到最终产物，所以，为了简化生产，一般都会使用选择性高的试剂。这样不仅可以降低分离产品和纯化产品的难度，还提高了反应的选择性，还能够起到降低成本，节约资源，减少环境污染的作用。所以加强这一方面的研究会有很强的实用性，比如开发载氧能力强、选择性好的新型催化剂，就可以应对不同的烃类氧化反应。

4、采用无毒无害的化学催化剂

近年来，化学反应越来越多的应用到了工业化的生产中，而催化剂对提高反应速率有着明显的效果，所以开发新型高效、无毒无害的催化剂以成为绿色化学工艺的发展方向之一。如今，相关部门都在研发新的烷基化固相催化剂，此外，分子筛催化剂也得到了很好的开发和应用。

五、寻找高效绿色的化学催化剂对提升工业生产水平的作用

1、 污染治理

目前，化学工业有其是石油、化工、煤炭等重工业对环境造成重大污染，危害生存环境，破坏原有生态平衡，威胁人类生存。引起国际上广泛关注，美国

1996年设立“绿色化学挑战奖”表彰在绿色化学领域中做出贡献的人。绿色化学的目标就是从化学生产的源头上实现环境治理，消除环境污染，绿色化学改变了传统化学工业先污染后治理的模式，实现预防、监测、零污染，预先环境治理，保护环境，资源可持续发展。

2、优化资源

化学工业绝大多数工艺都是上个世纪开发的，受技术发展的限制，化工领域是劳动密集型产业，高耗能、重污染、浪费原料、劳动力成本高，对大气、水和土壤等环境排放高。使产品成本中附带原料浪费、能源消耗、污染治理等成本。据统计，美国化工业1992年用于环保经费达1150亿美元，治理污染经费达7000亿美元，化学品销售中资源节约和环境治理成本提升。绿色化学从约资源方面，提高使用效率，减少环境破坏，降低新产品经济成本，有利于倡导节约型社会。

3、节能减排

节能减排就是节约能源、降低能源消耗、减少污染物排放。世界各国都制定了相关计划来实现这一目标，美国绿色化学目标：2020年将废弃物减少40-50%，化学生产行业消耗原材料降低20-25%。日本制定新阳光计划，在环境化学领域倡导绿色技术，减少环境污染，发展减排新技术应用。中国2006年提出降低能源消耗和对外石油依赖，希望2010年，单位GDP能耗比2005年降低两成、主要污染物排放减少一成。2013年国家发改委表示，为确保今后节能减排目标、推进绿色低碳发展，深入推进节能减排各项工作。绿色化学正是实现节能减排和环境保护重要工具。国家倡导在重点领域节能减排，推进企业节能低碳行动，开展绿色化工行动，加强环境治理，加大治理力度，引导循环经济，着力增强全民节能减排意识，实现共创和谐社会，建设美好家园。

4、化学工业中绿色化学的应用

绿色化学的核心就是要利用化学原理从源头消除污染，做到完全无公害无污染，因此它又被称为清洁化学，应用范围广泛，它涉及有机合成、催化、生物化学、分析化学等学科。工业中化学反应发生的条件一般都是高温高压，在反应过程中，只有适宜的温度和压力才能使用现代化学工业的技术，另外加上绿色化学的高效催化剂，这项工程才得以不断发展。例如上文提到的低维材料碳纳米管，催化裂解反应中有很大的化学功效。

5、化学工业中绿色化学和现代生物结合的应用。

讲到了催化剂，这就涉及到另外的技术性学科生物技术。生物技术的就是高科技与高端专业知识结合的产物，学科内又分为细胞工程、基因工程、胚胎工程等等。在化学产业中主要应用于生物化学。在化学工业生产过程中，选取有机的生物材料，主要是动植物的原料，另外也会采用他们经过上千年演变的产物―地下的煤炭等。催化剂主要由人工催化剂和自然催化剂，分别由人工合成以及采用天然动植物的生物酶。这样能够满足现代化学工业发展的需要，同时也能切合可持续发展的指导思想，节约能源，维持现在生态平衡的状态，推动化学工业发展。

六、结束语

综上所述，可持续发展在当今社会显得越来越重要，因此化学工业生产中也要遵循这个指导性思想，采用选择性高的原材料，节能减排，利用高新化学催化剂，最大程度的减少污染物排放，不断增高有效产物纯度，在资源有限的前提下，保护生态环境，维护现有的生态平衡。绿色化学在整个化学工业的发展中，有着实质性的意义，高新技术性产物催化剂的使用能改变现有产业结构和传统的生产过程，加速化学工业发展。

参考文献：

[1]于贺. 论绿色化学工程与工艺对化学工业节能的促进作用[J]. 科技与企业，2013，05.

[2]李丽，王超. 论绿色化学工程与工艺对化学工业节能的促进作用[J]. 化工管理，2014，05.

篇3

关键词：节能降耗；绿色环保；精细化工

引言：生态环境的不断恶化，不可再生能源面临枯竭，现阶段，节约能源，提高能源使用效率，发展先进能源使用技术，是我国实现经济可持续发展必由之路。

一、使用节能降耗措施的必要性

化工工艺生产对能源的需求一直都是不可忽视的，尤其是化工企业中以传统能源为主导的产业，若想持续稳定健康的发展，就必须将化工产业能源损耗的经济成本制约在必要的范围内。因此通过节约经济成本，提高企业竞争力，进一步抢占市场份额，扩大市场占有率，有益于进一步提高企业的经济效益，增强企业竞争率。对于能源损耗过高，应对生态环境破坏污染程度过深的企业项目严加把控。加强对落后能源产业的筛选力度，推广使用清洁高效的能源，建设新型绿色环保企业新模式，生产无污染或低污染的绿色产品。这些举措对于有效控制污染气体、液体、固体的排放有着至关重要的作用。同时加强监督，放弃高耗能高污染的粗放式能源利用模式，逐步改善传统落后的不健康经济结构，是发展健康绿色经济不可缺少的重要环节。

当前，节能技术在化工企业中的使用还存在很多问题，要是使用高科技技术对化学工艺进行改进并通过先进技术的引进，可以进一步的让目前企业内的节能降耗技术的实用性大大的提高。在对化工工艺进行改进的时候，首先要提高的就是反应的催化剂和添加剂的性能，以便于让化工装置的灵活性提高，从而让化学工业能源的消耗降低。其次，淘汰传统的化学工艺，这有利于发展先进的技能降耗技术，在适当的淘汰旧设备的同时，也要引进具有节能降耗性能的机械设备，这对于化学工艺的发展非常有利，让化学工艺的节能降耗技术进一步发展。

二、采用先进的生产工艺

1、在化工工艺中运用新工艺、新材料、新设备和技术

在对化工工艺生产的管理过程中新元素的应用不可或缺。受传统工艺的影响以及现有材料的制约，让化工工艺的改革步履艰难，因此更加适应现有技术水平的轻便合理性材料，应该被广泛的试用于更多化工领域，与此同时高效能的环保器械也能为节约能源提供更好的保障。通过整合各方面资源达到连续型节能减排的新型模式，从而为更多化工技术创新提供可能性。区别于通过传统落后的能源损耗模式（如通过焚烧麦秆，煤炭等不可再生能源）提供人们必不可少的生活能源，新型的化工生产工艺和技术将目光集中在新型能源（如太阳能，风能，水能，潮汐能等）的使用效率和开发力度上。

优选节能连续型的化工生产工艺，通过生产工艺的技术升级改造，提高化学产品生产的综合效益。生产工艺应尽量优选连续型、操作便捷、能量转换效率较高的工艺，这样可以有效避免间歇性生产工艺过程切换中的能源浪费。优选高效分馏塔、反应器、换热器、空冷器、电机拖动系统、加热炉等先进传质、换热、旋转等节能型电气设备，降低机械设备在运行过程中的综合能耗特别对于耗热量大的设备，采用导热性能更好的材料进行设备关键部位设计制造，广泛将余峄厥丈璞浮⒂τ帽淦灯鹘诘缟璞赣糜诖笞诨工生产装置中来。

2、改善化工反应的工艺条件，降低化工生产工艺综合能耗

首先，降低化工生产反应外部压力。合理计算确定化工生产反应的压力，一方面可以确保化学反应高效稳定的进行；另一方面还可以降低输送反应物的电机拖动系统的综合能耗，尤其可以降低气态反应物的压缩功耗，达到降耗的目的。其次，在确保化学物质正常反应环境条件的基础上，合理优化降低吸热反应温度，降低系统反应所需的整体供热量，提高系统热能利用率。再次，加快化学反应转化效率，有效抑制反应过程中的副反应作用，进而减少反应过程能耗和产品分离能耗。

三、关键性物质对节能的重要性

反应器，交换器等许多化学工艺生产过程中必不可少的器械仪器，在生产产品的过程中因为各种原因不可避免会有所损耗，会在机体部分结垢，或更进一步产生锈迹，这种情况的发生会大大降低机器的热交换功能，从而影响其传热效率。机械的传热系数下降使其换热功能减退，能源利用率降低，化工生产机器的外部压力过大，缩短了化工设备的运行周期，减少其使用寿命。而阻垢剂的使用可合理提高机器设备的能源转换利用率，降低机器完成能源转换的整体供热量，确保化工生产过程的安全，这对于化学工艺节约耗能的发展十分有利。

在化学工艺的生产过程中，添加一些关键性物质会起到意想不到催化效果。如新的类型的催化剂。催化剂可以优化化学工业生产过程中的环境，提高生产过程中能源的使用效率，同时提高这种催化剂在化学有反应中的综合反应活性，对于能源的合理配置，及节约成本方面有着十分重要的作用。

四、降低生产全过程的动力能耗

首先，采取变频节能调速降低电机拖动系统的电能消耗。采用变频节能动态调速方案对常规的阀门静态调节方案进行技术升级改造，可以确保电机拖动系统输出与输入之间长期处于动态平衡状态，尤其对化工企业装置负荷率普遍较低的问题，可以避免电机拖动系统长时间处于工频运行工况，降低无谓电能资源浪费。其次，供热系统的优化改进。供热系统在优化升级改造过程中，要打破常规单套装置界限，实现组合装置的整体优化匹配。如：在进行供热系统优化改进过程中，要根据不同温位热源的功能特点，合理地进行供热装置的匹配组合，实行装置间的联合运行，进而实现在较大范围内进行冷、热能源流的优化转换，从设备源的基础上避免“高热低用”等不利情况发生，实现热能资源的最优化利用。再次，推广污水回用技术。在实际生产施加过程中，化工企业必须高度重视水资源管理和综合利用，杜绝出现跑、冒、滴、漏和常流水等不利现象，并积极结合化工生产实际特点推广污水回用技术，降低水资源的综合消耗。做好电、热、水等资源的余能回收利用，可以大幅提高化工企业的综合节能降耗效果。利用生产工艺中的余压、余热等资源进行综合利用，通过制冷、发电等转换技术，有效节省化工生产过程中的常规能源浪费，进而实现能源资源的高效、安全可靠、经济节能、低碳环保的综合转换利用。

五、结语

化工工艺的节能降耗技术在整个化工产业的科学研究中占据主导地位，落后的产业技术模式会消耗大量的资源，也会对环境造成不可逆转的伤害。对资源进行综合的利用，以及高效的使用能源已经成为快速推动国家经济发展的重大课题。阻垢剂，催化剂等等新物质的使用也逐渐成为节能降耗工艺发展不可或缺的助力。越来越多的人将目光放在了如何提高能源利用率这一问题上。合理调配资源，发展绿色经济，提高能源利用率，将成为我国未来经济发展的重中之重。

参考文献：

篇4

[关键词]丁二烯；化工工艺；NMP

中图分类号：TQ221.223 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）27-0114-01

早在半个世纪以前，西德就采用N一甲基毗咯烷酮（NMP）作溶剂，裂解萃取蒸馏丁二烯。以后，在世界各地陆续采用并加以改进。NMP法萃取蒸馏丁二烯工艺，具有溶剂的选择性高、无毒、无腐蚀、水解稳定性和热稳定性高、沸点高、常温蒸汽压低，丁二烯收率高、纯度高，以及整个工艺综合技术经济效果优越。

如今，根据所采用的萃取溶剂的不同，丁二烯抽提生产工艺主要分为3种：NMP法、DMF法和ACN法。与NMP法和DMF法相比，ACN法具有一定的优势，但乙腈溶剂毒性较大，随着人们的环保意识日益加强，该工艺逐渐被淘汰。而NMP工艺由于其诸多的技术优势，文中对NMP法和DMF法2种工艺进行对比，阐述了NMP工艺的综合优势。

一. NMP法丁二烯抽提工艺比较

N一甲基毗咯烷酮（NMP）是一种性能优良的高沸点溶剂，具有强极性、惰性、低粘度、溶解能力强、稳定性好、无腐蚀、挥发性低等特点，目前已在许多工艺路线中取代了其它溶剂。其生产工艺可以采用y一丁内醋与甲胺缩合路线，它是目前可靠而成熟的工艺生产路线。各个厂家大致相同.NMP目前主要用于回收丁二烯。高温裂解制取乙烯副产品馏分中含有较多的烯烃。而NMF法不但毒性小、无腐蚀、萃取效率高，而且省却了抽余液加氢脱炔烃工艺，可节能一半。用NMP从含有环戊二烯的裂解馏分粗品回收异戊二烯纯度可达到99%r。世界采用NMP法回收异戊二烯已占总生产能力的10%。NMP法丁二烯抽提 工艺从反应压力可分为高压法工艺、中低压工艺等。

1.1 高压法工艺

这一技术的发展最早。其工艺分锅式法和管式法2种，除反应器不同之外，其他的过程基本相同。在丁二烯高压法聚合反应属于自由基聚合反应，反应过程包括链出发，链增长，链终止和链转移。低密度聚丁二烯工业生产中通常采用高压气相聚合法，该法生产的低密度聚丁二烯的最重要的方法，因此低密度聚丁二烯被称为高压聚丁二烯的历史。它以纯度达到99.95%的丁二烯为原料，采用微氧，偶氮化合物有机或无机过氧化物，使引发剂，进行自由基加成聚合气相高的压力下。当反应压力为100 ～ 350MPa，聚合温度150 ～ 30℃。由于其反应温度高，易发生链转移，因此产品支链多曲线的大分子。聚合度主要由反应压力、反应温度、引发剂用等因素影响的量，分子量调节器。在釜式法工艺的材料是近似在整个交流，压力温度相同时，产物的分子量分布窄，支链的链许多，因此产品的冲击强度很高；在管式法工艺反应物料近似于柱塞类，温度压力梯度大，产物的分子量分布宽，支链少，更适合生产膜类。

1.2 中低压工艺

该工艺主要有浆（悬浮法），溶液法，气相法3种。浆工艺的工业化时间早，技术成熟，产品质量好，丁二烯的转化率超过90%。分为搅拌式反应器和管式反应器2种工艺，根据反应器形式。欧洲和日本广泛使用的搅拌釜式淤浆聚合工艺的代表；管反应器淤浆聚合工艺，代表公司为美国飞利浦。溶液法可能产生的熔融指数为0115 ～ 150g/10分钟每种产品，本产品质量好，胶体灰份低，产品的密度范围为0191 ～ 0.96g/cm3.solution聚合时，单体和生产聚合物溶解在惰性溶剂，聚合温度和压力高。

1.3 两种工艺的比较

高压法需要专门的技术和设备，工作压力高（150 ～ 400MPa级），投资大，虽然近年来低密度聚丁二烯LLDPE LDPE的市场冲击，但其采光质量，灵活性和易性好，仍有一定的竞争力，其处理技术仍在发展。所有的使用溶剂的淤浆法、溶液法，生产成本高，生产效率受到限制。在淤浆聚合一些低密度聚合物的溶解度大的溶剂溶解时，后张使反应体系的粘度增加，造成操作困难，溶液法生产的高分子量产品溶液的粘度的增加，搅拌困难，限制了生产力的提高。由于气相流化床工艺不在粘度限制溶液法和淤浆法工艺的溶解度极限，投资和运行成本低，原材料和宣传项目耗能低，产品范围广，操作弹性大等优点而发展迅速，目前新建装置约70%使用气相法工艺。这是PE工艺的发展方向。流化床工艺可以生产HDPE、LLDPE，特别是LLDPE成了短支链主链的植物，从一棵树边，结晶度高于LDPE，HDPE和LDPE性能具有空间频带之间填充LLDPE与LDPE相比，具有突出的抗穿透性，抗冲击和抗拉伸性能，可广泛应用于薄膜，如包装，李宁膜农用膜。此外LLDPE高于LDPE的抗剥离强度，可在域等压缩成型和油管，因此LLDPE在过去的20年里，消费量持续增长。气相流化床工艺可生产熔融流动指数范围非常宽的产品，从70年代初开始迅速成为聚丁二烯主导工艺。

二. DMF 法及其与NMP法的区别

DMF 法又称 GPB 法， 目前是生产丁二烯的各种方法中产量较高的 1 种。DMF 工艺中， 萃取系统的每个塔都设置了再沸器， 并且部分再沸器有在线备用， 数量较多。NMP 工艺在生产过程中不会产生影响产品质量的胺类杂质， 在生产运行期间具有较大的节能优势。NMP 的选择性、溶解度、闪点、空气中爆炸范围、等性能均优于 DMF。但 NMP 的粘度大于 DMF。由于萃取蒸馏塔的板效率和物料的粘度成反比， 所以 DMF 的塔板效率要优于 NMP。NMP 法的废水、废气和废渣量较DMF 法低很多。DMF 职业性接触毒物危害程度为Ⅲ级 ， 在水存在下会分解， 且含 DMF 的废水不易被生物降解。DMF 对人体的毒性是累积性的， 无法从体内排出， 而且装置的允许泄漏点较多， 因此DMF 对装置员工的健康危害较大。含 DMF 的废水也会危害周围环境， DMF 落到水泥地面后极难清除， 而且 DMF 法每次排放焦油都会对周围空气产生较大污染。NMP 基本无毒， 用水很容易冲洗干净。热稳定性和化学稳定性极好， 即使发生微量水解， 其产物也无腐蚀性。废水中含有微量 NMP， 也易于生物降解， 有益于环境保护和人身健康， 具有环保优势。

三. 结语

尽管 NMP 工艺存在一定的不足， 但综合来看， 该工艺还是优于DMF 工艺， 尤其在装置的能耗、溶剂的性能、防聚合和环保等方面具有明显的优势。在今后新建丁二烯抽提装置的技术选择方面， NMP 工艺越来越为人们所接受。

参考文献

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关键词:化工工艺设计;实践环节;教学改革

为适应国家战略发展需要，2013年教育部、中国工程院联合出台了《卓越工程师教育培养计划通用标准》，为高等院校培育工程技术人才提出了新的标杆，也提供了新的契机。在众多工科专业中，化工专业涵盖过程工业的各个部门，对高质量各类型的工程技术人才需求十分迫切。化工工艺设计课便是培养化工专业优秀工程技术人才的一门不可多得的课程，在高等工程教育的深化改革中越发展现出其在本科教学课程体系中无可替代的作用和地位。

1化工工艺设计课简介

化工工艺设计课(以下简称“工艺设计课”)目前在国内大多数设立化学工程与工艺专业的院校都有开设，一般安排在本科四年级，是在学生学完专业基础课之后，综合运用专业基础课、制图以及经济、安全等方面的专业知识解决问题的一次训练，更能够迫使学生从做题的情境切换到工程实际的情境，因而能加快学生的思维向工程思维转变，能切实提高学生处理工程实际问题的能力。因此，与本专业的理论课相比，工艺设计课在优秀工程技术人才的培养方面具有独特的优势。然而，由于多种原因，工艺设计课还存在着不少问题，这门课的优势还远未被充分发掘，应有的教学效果还远未达到。

2工艺设计课存在的问题及原因剖析

纵观国内开展工艺设计课的高等院校，目前该课程教学过程中发现的主要问题可归纳为以下五点。

2.1设计要求和难度一降再降

工艺设计课教学效果难以达到预期，很大程度上源于设计要求和难度的一降再降。一方面，信息时代生活节奏越来越快，压力越来越大，很多本科生为了提高自己的竞争力，不得不分心考研、考证、实习、联系出国、进实验室、参加学生工作和社会实践，难以专注于专业课程学习本身。因此，学生们能真正投入到工艺设计课中的时间越来越少。例如，每年都有大量学生参加考研，考研之后紧接着就是毕业设计，使得学生很难充分重视工艺设计这门课。另一方面，化工设计工作量巨大，真正的设计从来都是团队共同作业才能完成。但在实际教学中，为防止学生抄袭而催生的“一人一题”的强制要求，也使得教师很难提出由多人共同完成一个设计任务的设想，因而也不得不降低对个人的要求和难度。

2.2设计题目缺乏精心设计

设计题目的合适与否对教学效果影响甚大，但从目前情况看，不少设计题目缺乏精心设计，衍生出如下几类问题。(1)与《化工原理》、《反应工程》等经典先修课程脱节严重。近年来，有一部分带设计课的指导教师认为，设计应该做真题，不应该做所谓的“假题”，甚至于设计题目就是指导教师团队正在做的工程项目。这就使得设计题目中所涉及的核心反应和分离单元经常不是经典的反应器和单元操作(如吸收、精馏)，有时会大量涉及气体吸附、膜分离、结晶、离子交换等非传统的化工的单元操作，有时甚至还因为新技术保护的原因无法获得设计所必需的数据。此外，即便有些题目来源于经典的传统化工工艺，但如完全忠实于实际项目，没有必要的简化处理，也必会造成工艺系统过于庞大、题目过于复杂，使学生感到一下子难以承受，不利于短学时性质的工艺设计教学。(2)“一人一题”设计的考虑不够周全。“一人一题”的初衷是限制学生抄袭。然而，很多设计题目，设计变量很少，甚至只有生产强度一个变量，使得学生的设计题目之间没有本质区别，无法杜绝学生抄袭。只要有个别学生做出来，其他学生只需简单地线性变换，仍可效仿，无需经过足够的个人思考。(3)未充分体现“整体设计”，仅是单元操作的简单组合。工艺设计课的工艺计算过程，应充分体现过程、工艺的整体设计。然而，目前的许多设计题目，其设计条件没有涉及单元之间的耦合，使得学生无需深刻认识过程和全流程，便可迅速进入到各个单元操作的计算阶段，其教学效果约等于化工原理课程设计，缺失了对学生大局观的培养。

2.3缺乏高效的“过程管理”

目前很多院校完全采用“结果管理”的教学模式，存在很大问题。所谓完全采用“结果管理”，即设计开始阶段做一次较为充分的宣讲，对设计过程不甚关心，完全以最终的报告和图纸定成绩。有些教师迫于科研压力，不愿在设计课上投入时间精力实施过程管理，甚至以“设计课以学生为主、学生自己完成”为理由，过度精简了设计过程中的师生互动环节。当然，也有很多教师非常重视过程管理，投入了大量的精力，但效率不高，其重要原因就是容许学生自由发挥的地方过多，学生的设计计算结果五花八门，教师很难对学生的阶段性进展做出高效反馈，甚至会打击青年教师的信心。诚然，设计没有标准答案，充分开放的设计题目更有利于启发学生，但这更多是针对设计大赛或是毕业设计。对于学时有限的工艺设计课教学，笔者不敢苟同。

2.4指导教师与真实设计资料的接触非常有限

近年来入职的青年教师，受到目前高等院校大环境影响，学术型的居多，大多没有经历过多少设计实践，自身工程设计底子薄。即使是有一定经验的教师，也有很多没接触过真正的、有代表性的设计资料。笔者所在的教研室只是收藏了一些早期的纸质版的图纸供学生学习，能反映当今化工厂、化工车间设计成果的图纸(特别是CAD电子版的图纸)还非常有限。学生们从未见过规范的设计文件和图纸，他们上交的报告和图纸都与行业规范相差甚远。

2.5先修课程缺乏对工艺设计课的铺垫

工艺设计课是一门综合运用所学专业知识的实践性课程，应该让学生能够在学习过程中将所学知识充分用到解决实际问题中去，这样会激发学生内心中的成就感，更加明白终身学习的重要性。然而，从目前看，学生学过的先修专业课程，对工艺设计课的铺垫不够，常常与设计题目脱节严重，这会使得“大学上的课没用”的思潮抬头，学生听课的积极性大减。例如，《化工工艺学》和《化工设计》这两门课是工艺设计课的直接先修课，但这些课程间的沟通合作还远远不够，从而不能将工艺设计题目中涉及的工艺流程在这些先修课上有所伏笔，提高了学生们面对工艺设计题目时要迈过的门槛。又如，认识实习、生产实习等实习环节，也是理论与实际联系的重要桥梁，但也很少跟工艺设计课之间建立紧密的关联［5］。我们常常不能将工艺设计题目中涉及的过程、车间和设备在实习阶段就让学生有所了解，这就使得工艺设计只能停留在课堂教学而没有实习支撑。

3改进工艺设计课的若干措施

笔者结合自己的教学实践以及在学生阶段的一些设计经历，尝试总结了一些可能对解决上述问题有所改善的措施，分五点陈述如下。

3.1精心安排设计时间

(1)尽早动员，尽早布置题目。《化工工艺设计》的全员动员应在四年级上学期开学即进行，最好能和另一门设计类实践课《化工原理课程设计》的全员动员合并进行。这样做好处有二:①学生通过一次集合就知晓大四的设计开课整体情况，便于其合理安排时间;②这样安排可以使得在《化工原理课程设计》结束后顺理成章地布置《化工工艺设计》的题目，给学生更多的准备时间应对难度更大的《化工工艺设计》。

(2)尽量避开考研冲刺期。可考虑将官方的开课时间定在春季学期，实际教学则可以跨年度。具体地说，是从考研结束之后那一周算起，完整进行4～5个自然周。笔者所在教研室一直推行这个方针，最大限度地减少了考研对工艺设计课的影响。

(3)给学生较为充足的报告撰写时间。在教学环节结束后，推迟1～2周(甚至整个寒假)收缴报告和图纸，给学生充足的报告撰写时间。如果寒假之前时间不够，则顺延到年后，但无论是否顺延，都统一在春季学期的第一周做完并上交报告，以减少对《毕业设计》环节的干扰。

3.2精心制定设计题目

(1)设计题目应更强调过程和整体。应通过设计条件的合理设定，使得任何一个单元操作都不可能独立求解，籍此强化过程物料衡算和过程设计的概念，使学生认识到过程设计不是单元操作设计的简单加和，有利于培养学生的大局观和主人翁意识。

(2)拉开“一人一题”设计条件的差异。通过设置不同的设计条件参数，对设计题目分组，使组与组之间在一开始便存在较大差别。这样即便无法完全杜绝抄袭，但也增加了抄袭的难度，迫使试图“偷懒”的学生不得不思考别人的结果哪些可以借鉴，哪些不能简单照搬，在这样的“询问他人+自我思考”中也潜移默化地达到了教学的目的，“少数人栽树、多数人乘凉”的状态得到有效的遏制。

(3)设计的前期计算应有相对确定的参考答案。设计的物料衡算、热量衡算和设备工艺尺寸计算部分，应有相对确定的参考答案，作为指导教师进行过程控制的重要依据。原因有四:①由答案反推过程，有利于及时纠正低级错误，有利于引导学生主动思考;②结合结果控制的管理，当有严格时间限制时，往往比纯过程控制效果更好;③能提高当面交流的效率，有利于提高学生的学习体验，也有助于提升青年教师信心，使其快速成长;④设计的开放性体现在多个方面，诸如PID设计就能充分训练学生的发散思维，没必要从工艺计算就开始发散。

(4)避免重复训练。设计题目最好应包括反应器设计。如果没有反应器，指导教师还应充分注意所带班级《化工原理课程设计》的题目，使得核心单元操作与《化工原理课程设计》有所区别。

3.3完善成绩评定方式

最终成绩应是设计步骤(设计过程)、答辩(测验)、说明书撰写、图纸绘制等环节的成绩总和。其中，设计步骤(设计过程)环节是过程监控性质的，应规定学生在每个节点必须完成的任务，且对其完成情况作出快速、准确的评估;答辩(测验)环节也是过程监控性质的，是教师了解学生投入情况的另一个重要窗口，是对抄袭行为的必要威慑。

3.4加强设计类课程的中青年教师培养

(1)提高准入门槛。首先，从事化工设计实践环节教学的教师，必须有化学工程与工艺的专业背景，最好是参加过设计大赛或本科毕业设计题目为设计型题目。其次，青年教师接手设计课也必须有听课、助课等自我修炼的过程，特别是没有时间较长、强度较大的实践经历的青年教师。

(2)鼓励设计课相关的教师“走出去”访问学习。鼓励工艺设计课相关的教师，包括从事《化工设计》理论课教学的老师，多去化工专业排名前列的院校走访，听听那些口碑较好的老师的《化工设计》理论课，了解其授课内容，学习其先进的课堂组织方式和授课方式。笔者本科阶段上过天津大学王静康院士负责的《化工设计》课，深刻体会到:把《化工设计》理论课上好，是调动学生兴趣的第一步;否则，学生就会本能地对设计实践课产生抵触情绪，很难谈得上有兴趣。

(3)下大力气收集、整理真实的设计案例。学院和教研室应设法为一部分指导教师创造去设计院实训的机会，积累一些真实的设计案例，至少是获得一些标准规范的PID、平立面布置、设备、配管设计等图纸，加以分类，做好资源共享管理。

3.5加强不同专业课教师之间的沟通、协作

在此笔者有两个特别建议:

①特别建议带设计的指导教师参加实习。比如，在生产实习过程中，要求学生认真体会工艺设计相关的工艺和单元操作，了解厂区总图布置、设备布置、管线走向、监控室设计等，学习工程实际中的反应器和多组分分离系统。

②特别建议《化工工艺设计》的指导教师也从事《化工原理课程设计》的教学，甚至是带同一个班。同一位老师带班，更有利于讲清楚这两门设计课的相通点和不同之处，使得工艺设计课能够尽量多涉及过程和整体，避免在单元操作的局部中纠缠不清。笔者已通过这种模式连续带班了2届学生，效果良好。

4结语

工艺设计课是化工专业设计类实践环节的典型代表，综合性和应用性都很强。在高等工程教育深化改革方面，工艺设计课是大有可为的，应引起相关专业、相关院校和相关部门的高度重视。一方面，必须从学校、学院和教研室层面重视起来，为支持设计课的发展、构筑合理的专业培养体系精心谋划、大胆创新;另一方面，这门课以及化工设计相关的指导教师应当意识到自己身上的责任和使命，下大力气提高组织教学的水平和业务水平。如此经过全方位多角度的改进，工艺设计课的教学质量才会不断提高，才会在培养高层次工程技术人才方面发挥更大的作用。

参考文献

［1］冉茂飞，张嫦，刘东，等.基于卓越工程师计划的“化工设计”课程教改初探讨［J］．广东化工，2015，42(14):228－229.

［2］赵云鹏，周敏.化工设计课程教学改革与实践［J］．广州化工，2014，42(8):193－194.

［3］梁克中，黄美英，赖庆柯，等.大学生化工设计竞赛对化工设计课程教学改革的促进作用［J］．职业时空，2014，10(8):76－77.

［4］张刚，涂军令，傅小波，等.化工设计课程教学中的问题与改革尝试［J］．广州化工，2016，44(6):181－182.

［5］陈效宁，张艳辉.关于生产实习与化工设计类课程相结合的探讨［J］．广州化工，2015，43(23):255－256.

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关键词：催化裂化 ARGG工艺 应用

近年来，我国在催化裂解技术的研究上取得了突出成就，尤其MIO、MGG等技术的成功开发，极大的提高了我国炼油技术水平。在MGG工艺基础上发展而来的ARGG工艺，更是深受炼油企业的青睐。

一、催化裂化与ARGG理论

在讲解ARGG相关理论之前，先介绍催化裂化相关知识。所谓催化裂化指以渣油、重质馏分油为原料，并在450℃～510℃，以及较低压力条件下，运用相关催化剂，经过一系列的化学反应，生成柴油、汽油以及焦炭的过程。催化裂化所用的原料具有广泛的来源，总体分为渣油与馏分油两种类型，其中渣油包括减压渣油、常压渣油，而馏分油包括减粘裂化馏出油、焦化蜡油、直流减压蜡油等。催化裂化产品一般具有以下特点：具有较高轻质油收率，通常可达70%～80%；获得的汽油具有较高的辛烷值，而且具有较好的安定性；催化裂化气体中C4与C3具有较高比例，约为80%，其中C3丙烯占70%，C4中的烯烃占的55%左右，是生产高辛烷值组分以及优良石油化工原料。

ARGG是从MGG工艺基础上发展而来的一项炼油与化工相融合的新型工艺。该工艺炼油原料为常压渣油，经提炼不仅可获得安定性好、辛烷值高的汽油，而且还得到较多内含烯烃的液化石油气，为进行精细化工提供大量原料。

ARGG工艺运用的催化剂为RAG系列，反应过程在提升管催化裂化装置中进行，能够产生大量液化石油气，并伴随高辛烷值汽油的产生。ARGG工艺具有以下特点：

该工艺使用的催化剂具有较强的抗重金属污染性能，以及良好的热稳定性、选择性与重油裂化活性；以常压渣油为原料，产生的裂化产品包含较高的汽油、液化气、丙烯等，且产生的干气较少。该工艺裂化温度在525℃左右，反应所需压力比较低。回炼相对较低，在0～0.5范围内；同时，为减小油气分压，采用的雾化蒸汽比较大，通常情况下，质量分数在6%～10%范围；采用ARGG工艺提炼出的汽油经检测安定性符合相关标准要求，且具有显著的抗爆性能。

二、具体案例及改进措施

1.具体案例

某石油液化气厂之前采用RGCC生产装置，年处理量在5万吨左右，主要用于柴油、汽油的生产，液化气产率约为10%。采用RFCC装置已很难满足生产要求，为此，准备采用RFGG工艺进行升级。采用ARGG工艺以RAG系列催化剂，每年处理量提升到了7万吨，不仅获得了大量辛烷值高的汽油，以及液化气，而且显著提高了企业的经济效益。

2.设备及工艺参数的改进

在设备方面：采用再生器在下，沉降器在上的同轴式结构。这样布置允许再生与反应操作压力存在区别，而且这样布置采用的结构比较简单，大大提高控制灵便度，具备较强的事故抗干扰能力，以及广泛的应用范围。另外，使用气控式外换热器，以及改进的主风分配管。最重要的是对管反应系统进行了完善：对操作条件进行优化，促进大剂油、高温强化反应的进行；使用高效雾化喷嘴，使雾化效果得到显著提升，促进轻质油收率的提高，以及降低焦炭产率；对预提升阶段进行专门设置，运用水蒸气、自产干气当做提升介质，改善了原料及催化剂的流动情况，使原料与催化剂进行充分的接触，避免不必要热裂化反应的发生；减小沉降器单级旋分器入口与短粗旋油气出口间的距离，避免沉降器中油气出现过度二次裂化及热裂化现象；运用高效气提技术，即，使用两段气提和改进的挡板的高效气体技术。

在工艺参数方面：采用ARGG工艺进行生产，反应温度控制在530℃，反应绝对压力为0.21MPa，回炼比为0.3，反应停留时间为3.54s，提升管入口与出口线速分别为6.83m/s、14.3m/s。催化剂的循环量每小时在102吨左右，剂油比为9.0，原料油预热温度在200～250℃范围。

利用ARGG工艺获得产品的分布情况为：干气所占的比例为5%，液化石油气所占比例为30%，而汽油占有的比例为42%，轻柴油、焦炭、损失所占的比例分别为13.5%、9%、0.5%。

三、经济效益与社会效益分析

该石油液化气厂运用ARGG工艺生产后，大大提升了生产效益。由统计结果表明，当加工一吨常压渣油使用ARGG工艺与之前RFCC工艺相比增加的利税将近80元，按照每年处理7万吨的量进行计算，每年可增加五百多万元。

随着人们对环境保护工作的重视，新配方汽油以及无铅汽油的应用引起了人们的高度重视。本文中应用ARGG工艺生产的汽油，刚好符合90#无铅汽油相关标准要求，无论在节约能源还是防止环境污染方面均具有重要意义。同时，液化气产量大大提高，有助于城乡居民燃料结构的改善。另外，液化气中含有大量的丙烯，能给精细化工提供大量原料。总之，ARGG工艺在催化裂化中的应用不仅能够获得较大经济效益，而且还发挥着重要的社会效益，因此，在实际化工生产中应注重推广与应用。

四、总结

该石油液化气厂应用ARGG工艺从事生产活动，经长时间验证发现，所采用的技术具有较高安全度，成功的实现了获得大量高辛烷值的汽油，以及液化石油气的的目标，获得了较高社会与经济效益，并且该种生产工艺具有广阔的发展前景，因此，石油液化气厂生产工艺升级时，应注重ARGG工艺的应用，以更好的实现社会与经济效益最大化目标。

参考文献：

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20世纪世界经济虽然经历了多次萧条、景气、危机、复苏的反复，但是世界经济有了很大的发展。发达国家经济继续发展，许多新工业化国家和地区，特别是发展中国家的经济呈持续快速发展势头。21世纪的世界经济，特别是未来的20—25年中世界经济仍将保持高速发展。

在未来经济的发展中，人类将面临有限的资源和保护生态环境的严峻挑战。在今后25年内，世界人口可能达到100亿，需要满足如此大量人口的食物和必要的物资。同时，需要供应相应能源、交通、住房、学校以及各种机器等需求。呈指数增长的需求和有限的资源形成了尖锐的矛盾。

回顾20世纪的发展，特别是20世纪30年代以来，正是烃类经济发展的历史，主要资源来自于化石资源（煤、石油和天燃气），许多国家都认为化石资源是保证能源和原材料供应的基础。从20年代以来的靠其提供经济发展的需要，以至于达到今日的生活水准。据统计，生物基资源所占份额很小，在能源方面低于1%，在原材料方面也不到5%。尽管烃类对经济发展的贡献呈强劲势头，但是有限的资源令人担忧，而各种化工产品带来的生态和环境问题也日益严重，因此可持续发展战略已成为全球共识，并且已被广泛接受和推行。

在可持续发展的施行中，要使经济发展与生态环境保持平衡，经济持续增长、生活健康标准不断提高、国家安全与稳定，保证资源供应具有重要的作用。因此，许多国家政府的产业界都呼吁开发和利用可再生资源来补充和取代目前过于依赖的非再生并日益减少的化石燃料资源。

早在1996年，美国政府就组织有关行业协会、学术团体、产业界和教育科研部门专家讲座可再生资源开发利用问题，并于1998年后提出题为《2020植物/农作物为基础的可再生资源——通过可再生植物/农作物资源利用加强美国经济安全性的设想》（以下简称“设想”）。该设想公开发表后，美国农业部和能源部支持全国玉米种植者协会组织跨产业部门研究讲座设想的实施问题。经过长时间讲座产业界、深信界和政府部门对设想目标的实现、存在问题和实施步骤取得共识，并提出了题为《实施植物/农作物为基础的可再生资源2020年设想的技术指南》（以下简称“技术指南”）。这两份报告内容详实、焦点明确、逻辑性强、实施步骤清晰，许多观点和技术课题及措施具有启迪性。从该两份报告中，不仅可以弄清可再生资源和内涵、开发利用的必要性和可能性，而且对如何开展和促进可再生资源的开发利用提供了实施途径。对目前可再生资源开发利用的经济技术状况、存在的障碍和误区也都作了明确的阐述。虽然两份报告都是针对美国情况提出的，但是其科学性和前瞻性以及许多技术内涵对我们仍不乏借鉴参考价值。

“设想”是有关于发展以植物/农作物为基础的可再生资源产业的战略，是由美国农业、林业和化学工业部门（其中有各类美国公司企业）、非盈利组织、商贸协会和学术部门、各行各业的专家学者共63人经过讲座研究，首先提出对此新兴产业未来发展的设想。

1996年12月美国全国玉米种植者协会组织战略设想研讨会，目的是草拟一个产业设想，使植物/农作物为基础的的可再生物质可以作为当前惯用的原料的补充来源以满足人们对化学品、材料和其他产品不断增长的需要。

本“设想”广泛地规划了此产业如何从目前家庭式的产业走向全国规模的核心制造产业的道路。公开此“设想”的目的是为了吸引更多读者关注，出谋划策，共同开发，使其能成为现实的技术实施方案。

对于世界资源能否足够支持当前已经发生的急剧经济膨胀，社会上历来存在两种不同观点：一种是悲观的认为，世界资源难以满足呈指数的经济增长。如果现有技术不能进一步发展，而非再生资源又有限，这种悲观看法确实是现实的评价；另一方面，当前的技术正在突破，并有无限潜力，因此对未来产生乐观看法。

历史教育人们，只有通过协调提出明确设想，才能引导人们去解决关于未来发展的重大问题。

过去一直谈如何解决未来25年世界超过100亿人口的食品问题。获得食物只是人类生存的一种需要，其他还有呈指数增长的对能源、运输、住宅、学校、机械以及计算机等的需要，而满足这些需求的资源从何而来是应当考虑的问题。

钻探更多、更深的油气井可以供应更多的烃类原料，但是油气储量毕竟有限。对现有烃类的有效利用率将会不断提高，但是效果不大。纳米技术可能会促进小型化从而节省材料，但是有些物件不能缩小。问题是资源正在耗尽，何时耗尽并不重要，重要的是探求一种新的资源模式，使之逐步转化。

“设想”序言称，不论适用性技术应用如何，凡将现有资源转化为可再生资源，都是符合可持续发展的方向，也适应环境和生态要求。因此，应用植物/农作物资源的设想是乐观的。

随着适用性研究和开发的进展，人们可以发现许多经济上可行的方案来满足整个地球的需求。该"设想"确定了方向和相应的规划，采取措施建立利用植物系统中能源和碳源的可再生资源基础。面临的挑战是严重的，但机遇也是难以衡量的。人类可以适应变化，但必须接受所面临的挑战。序言中从两方面进一步阐明“设想”提出的背景：

1、界定植物/农作物基资源

植物/农作物基(有时用生物基bio-based)资源是指来自于一定范围的植物系统，主要是农作物、林产品和食品、饲料和纤维工业加工过程中的副产物。它们可以通过一年生的作物和树种，多年生植物和短期轮作树种等途径在一个较短的时间内再生。石油化学品原本也是以植物为基础，其基本分子为烃类。植物/农作物基可再生资源当前所用的大量基本分子是碳水化合物、木质素和植物油。也有一些量少高值的分子是来自二级植物新陈代谢。另一个主要区别是烃类及其提取系统已经开发并加工处理其所需要的原料型产品，而植物基可再生资源在某些程度上虽然也被认定，但某种植物会含有某种资源，加工后会留下什么，尚未完全搞清。

最近生物技术进展可以改变植物成分和酶提取系统，这就为现在需要的化学产品和新型中间人体及产品制造提供了新的经济机遇。据统计，美国的森林、耕地、牧场等面积约22.46亿英亩(1英亩=0.405公顷，下同)，其中主要农作物的种植面积有4.24亿英亩，可以生产大量植物/农作物基资源。过去50年，这类资源的重点主要是面向食物、饲料和纤维生产。

2、烃类经济

20世纪后期，世界经济发展很快，生产增长率有很大提高，尤其是各发达国家，一些发展中国家也不断增长。成功的增长和发展过程中起主要作用的是烃类经济。自20年代以来，矿物化石燃料的采取和利用提供了人们当前所享受的经济效益和生活水准。许多国家都依靠这种资源来满足能源和原材料的需要。

在过去50年中，大量的研究开发在能源生产和基础产品制造方面创造了许多可以大量增值的工艺过程。市场经济明显地受人们提高生活水准的意愿所驱动，以创造各种产品。生物基资源的(主要是用植物基)用量很小。据统计，在能源方面少于1%，在原材料方面亦低于5%。美国1996年玉米、黄豆和小米等生产用作食品和饲料量约为6900亿磅(1磅=0.4536公斤，下同)。由此从经济角度看还不能赶上工业原料，而以烃类为基础的经济却繁荣昌盛。

烃类虽然将继续起到非常有效的经济发展平台作用，但是在其未来应用中却有若干问题有待解决。首先是对石油化学产品的应用环境问题日益受到关注，随着又产生了许多相关的问题。化石燃料是一类正在减少的原料资源。应用植物/农作物基资源作为一种补充，由于它们是可再生的，所以为经济有序地向可持续发展转变创造了机会。

通过对能源状态的审视就可看到可再生资源作为一种补充的必要性。烃类资源有限，许多专家提出世界可采和探明储量，如按现在消费水平计算只能提供50-100年，此处的一个重要假设是“现在消费水平”是保持不变，但是从全世界人口增长和生活水准变化来考虑，此假设是不合理的。当前世界上按人口平均的能源消费水平差距很大，详见表1，许多发展中国家都将增加能源消费。未来的能源供应问题是多方面的，因为发展中国家人口众多。例如，中国按人口平均能源消费相当于美国水平的1/3，其需要增加的能量数量约相当于美国现在全年能源使用总量。

表1当前按人口平均能源消费水平KWh/人美国法国日本巴西泰国中国

122007500700015001200900

一些有效利用烃类的开发将有助于需要增长问题的解决，但是对烃类找到补充资源是完全必要的，只有如此才能保持可持续发展的工业基础。

新技术开发和应用需要时间。石油化学工业本身的发展就是一个事例。1920年烃类原材料经济并不像今天这样具有吸引力，过了50年，开始适应化石燃料状况的工艺。因此，要使植物/农作物基系统达到同样现代化水平也需要时间。

当前正是开展大量研究开发工作、利用各种可再生资源和各种新工艺、并开始在各种可供选择的途径中提出选择标准的时候。现在进行研究并不意味系统要立即改变，但是，烃类经济的经济学未来将出现问题：要支付高额环境费用，或是由于原料缺少而价格上扬。

投资适用性研究可以在未来能源和原材料间进行相关的比较，提供非常需要的选择。在中期至长期，选择植物/农作物基可再生资源可能是要兼顾环境方面容许和经济方面具有吸引力。而在近期，研究和开发可能只在一些领域内进行，使植物/农作物可再生资源能开始进入基本化学原料市场，从而扩大资源基础，延长有价值的化石燃料储备的应用寿命。

在上述背景环境下，通过研究讨论，提出了2020年开发利用植物/农作物可再生资源的设想的目标；“设想”是要通过植物/农作物基可再生资源的开发来提供经济继续发展、生活的健康标准和强大的国家安全。植物/农作物基可再生资源可以改变当前对日益减少的非再生资源的依赖。

本“设想”的内涵重点是建立新的观念，即植物基资源是越来越重要的工业原料资源。非再生资源可能因经济和环境因素逐步被植物基再生资源所取代，“设想”反对等到危机发生时现开始启动替代。

展望2020年，化石燃料可能仍将占90%，增加植物基可再生资源并不是可有可无的，它对满足未来的需求非常迫切。当然，需要有效地加工和利用这些植物衍生原料。其新途径的研究从现在就要开始，为经济发展有足够的时间，保证解决环境而进行良好的合作。

要取得有成效的进展，应当确定以下的方向性目标：

1、2020年化学基础产品中至少有10%来自植物的可再生资源原料，到2050年提高到50%。

2、建立植物基(农作物，林产，加工业)系统，用有效的转化加工工艺生产可再生原料，为2020年选中的产品提供经济合理、对环境瓜敏感的制造平台。用此生产链来示范一个综合的植物/农作物基原料系统的经济合理性和潜在效益，显示工业应用机遇的新领域，为2020年以后国内和出口的需求做出贡献。

3、在工业投资者、植物商、生产者、学术界和各级政府之间建立合作伙伴关系，开发从小范围到大规模的工业应用，重新激活农村经济，改进增值加工和制造链的集成，消除食品、饲料和纤维加工业与基础材料制造业之间的差别。

“设想”中提出，科研与开发方面要制定有详细目的和要求的相应计划，支持上述方向性目标的实现，从而也可取得投资的优势。

植物/农作物基资源利用现状和前景

一、现状

烃类提供人类能源和衣着。塑料、油料、油漆、染料、药品等基础原料，已经成为现代生活的主要依靠。1970-1990年间石油基的塑料增加了4倍，已经逐步代替了玻璃、金属甚至纸张。植物/农作物基资源目前尚未有效利用，主要是因为可用性差、质量不高、供应不稳或是价格高。要推动和提高植物/农作物可再生资源应用的兴趣，需要从以下几个方面来分析。

1、实用性

尽管消费总量不高，但是植物基原料当前在化学品方面应用面很广，如用于油漆、粘合剂及剂等。黄豆是植物袖的传统原料，随着基因工程进展，可以生产满足特殊剂市场需要的专门油。最近，可用黄豆衍生物制造油墨，在乙醇、山梨醇、纤维素、拧槽酸、天然橡胶、多数氨基酸以及各种蛋白质等化学品生产中，植物基资源是主要原料，详见表2。

表2、美国植物基资源用量万t/a类别用量用途

木材8090纸，纸板，木质素纤维复合材料

工业淀粉300粘合剂，聚合物，树脂

植物油100表面活性剂，油墨，油漆，树脂

天然橡胶100轮胎，家用品

木材提取物90油料，胶

纤维素50纺织纤维，聚合物

木质素20粘合剂，丹宁，vanillin

在多数情况下，应用的植物基材料主要是原始状态分子。如木质素纤维、植物油和橡胶等复杂分子的应用也只有有限的改性。这就与石油化学工业构成明显的反差，石油化工则是用化学方法按需要将烃类裂解成几种简单分子，如甲烷、丙烯等。用这些基础原料进行化学合成，制造所需要的复杂的分子。

在少数情况下，植物/农作物原料进行裂解成为不同的基础分子，例如高果糖的玉米生产糖浆和玉米淀粉发酵生产燃料乙醇。1996年美国用211亿磅(1磅=0.4536公斤，下同)玉米采用新型酶发酵方法生产9亿加仑(1加仑=4.546L,下同)乙醇，从而加工为90亿加仑混合汽油。从许多实例看，植物基原料有一定实用性，虽还未生产像药物那样的高度专业化的分子，但却包括了大量生产的中间体及产品。

2、供应及质量

植物系统地区分布广，由于土壤和气候条件不同，导致供应和质量的差异。森林和农业系统的发展已经缩小了天然野生植物的供应差异。

生物质的总产量虽然很大，但是由于没有经济的转化技术而使其应用受限制。一些新进展如快速裂解提供了从中获得低分子量产品的机会，如果能在分离技术上进一步创新，就可以推动此应用。生物质资源可以来自快速增长木材、田边作物以及其他专门培植的植物物种。另一潜在的生物质资源是当前为食用和饲料种植的农作物，如玉米、黄豆、小麦和高梁等。一般情况下这些作物只应用其产量的一半。此4种作物估计每英亩(1英亩=0.405公顷,下同)约有2600磅(以干物质计,下同)遗留在田地中，总计约有5200亿磅。一部分留在耕地以改良土壤结构，但大部分运出去，作为原料应用。因此要求有适当的、成本低的储运系统和加工技术。

供应方面的主要问题是对原始生产的管理。当前，树木可作木材和纸浆，种植农作物只是为食品、饲料和纤维加工，没有在综合利用上进行优化。对植物/农作物投入的成本评价基础是未经优化的植物生产系统，因此经济性不佳。一些边际土地的利用可以扩大植物基可再生资源原料基地。但是从经济上比较，其很难达到经济可行目标。在估算其经济回报时，要考虑化肥、农药等化学品的使用费用。要增加可再生资源来源，除了要提高边际土地利用率外，主要应是如何对良田建立优化种植生产系统。

当前低投入、低产出的植物生产对农民难以盈利，并不利于农村发展，也不能为加工业提供低价原料。但是在产出方面，数量和质量相差甚大，从此系统得到的产品必然价格较高，严重地限制了经济上的可行性。而且，由于低产出生产就需要更多的土地，其对环境的单位影响常常大于更为强化、密集的系统。因此要优化生产系统，同时改善边际土地的利用。此外利用生产率高的土地作为植物/农作物可再生资源的原料基地，这也有利于解决数量和质量上的波动变化。

农村根据市场需求规划种植计划，如根据乙醇市场还是植物油供需情况，做出种玉米还是种黄豆的选择，其次则要进行第2轮对品种的选择，作乙醇则要种高淀粉含量的玉米品种，如要种饲料，则种含高油量玉米更佳。这些选择都对产出经济效益有很大影响。面对“设想”需要扩大食品或饲料、饲料或原料、油料或淀粉、纤维或糖、药品或聚合物等等选择范围。要根据供应或需求来决策，就需要进一步仔细研究有关课题。

3、植物/农作物基原料成本

利用植物/农作物基可再生资源主要是成本问题，它与烃类相比是不经济的。工业生产要求大量的便宜原料。植物原料价格便宜，如果能开发适当的系统将极具竞争能力。利用植物/农作物基原料生产化学品的成本比较，详见表3。

表3、植物/农作物基化学品生产成本类别生产量万吨通常方法美元/1b植物衍生美元/1b植物衍生占总产量%

糠醛300.750.7897.0

粘合剂5001.651.4040.0

脂肪酸2500.460.3340.0

表面活性剂3500.450.4535.0

醋酸2300.330.3517.5

增塑剂801.502.5015.0

炭黑1500.500.4512.0

洗涤剂12601.101.7511.0

颜料15502.005.806.0

染料45012.0021.006.0

墙涂料7800.501.203.5

油墨3502.002.503.5

专用涂料2400.801.752.0

塑料30000.502.001.8

实际上,在制造业中选用不同的化学加工工艺对其成本影响很大。

植物/农作物基可再生资源不是一种替代性资源,而是为工业原料提供的补充资源。成本问题并非只限于原料,而且与加工过程有关，因此要进一步开发新的化学和生物加工工艺，才能扩大植物基可再生资源应用范围，使之成为经济可行系统。

二、前景

由于植物/农作物基可再生资源的来源不同，每种来源的原料又可以利用不同的加工工艺，构成了一种多维的发展前景。本“设想”运用矩阵分析方法进行探讨。不同投人的植物原料，可以运用不同的加工系统，并取得各种不同的开发效果。

1、废料和副产物利用

从当前看，利用机会多，但需要有新的加工技术才能使其成为更重要的资源。

(1)现代化学

森林工业已经将副产物利用发展成为一个较大的行业，如纸浆副产液转化为磺酸木质素表面活性剂CH3SOCH3以及用树皮制丹宁。农作物的磨榨工业开发了许多应用副产物进行加工的工艺，如从燕麦制糠醒、淀粉粘合剂、专用棉籽油、从湿磨料生产拧蒙酸盐和氨基酸等。但是，许多食品加工业，如蔬菜和水果却没有开发相应的副产利用加工工艺，经常将副产淀粉和糖排放入周围环境。副产物的利用具有许多发展机遇，提取及销售其所含的有效成分是降低主产物成本的手段，而且从战略上看是扩大利用植物基资源。

(2)改进化学

木本植物和有些农作物加工中有较高的木质纤维素含量和一些碳水化合物，如烃类工业一样，可以将复杂分子转变为较小分子技术。便宜的植物衍生发酵制糖的开发已在进行。用金属有机物化学将碳水化合物转变为增值化学品是扩大利用植物基原料的又一技术途径。改进化学方法具有潜力，可以使植物衍生的废料加工利用提高经济回报率。

(3)生物加工

在比较复杂的料浆中用微生物发酵法生产某种分子，再将其分离出来成为需要的产物。生物转化是应用微生物、细胞或不含细胞的酶系统的一步法工艺，它提供了改进废物料和副产物利用机会，随着分离技术的提高，生物加工工艺可以获得更为广泛的应用。

(4)新分子

在此方面似乎不太重要，从废料中生产新分子不是一条最佳途径。

2、现有农作物

从近期看扩大应用具有最佳机会。

(1)现代化学

从化学工业整体看，并没有|认为植物衍生材料具有较高的经济价值，但是具体|问题要具体分析。石油化工利用烃类而不用碳水化合物和其他生物基分子。

(2)改进化学

如果植物衍生原料是结构型的生物质，含有木质素和纤维素等成分，其具有一定优势。一些新技术，如综合燃烧或金属有机化学等都能提供更好地利用此类资源的机会。除林产资源外，约有5200亿磅的生物质资源目前尚未加以利用。改变加工工艺路线可以提高利用现有资源的效益。新的工艺开发可以提供利用糖和淀粉的机会。植物淀粉有不同来源，如水稻、土豆、玉米和小麦，它们的性质、用途都不同，因此需要改进其化学方法，发挥其潜能。新化学工艺与生物加工及先进的分离技术综合起来可产生很大效益。

(3)生物加工工艺

植物作为生物加工原料量大而多样，从结构型生物质到一些专门的植物组分，在生物加工方面潜在优势很大：用酶转换玉米衍生的葡萄糖生产高果糖的玉米糖浆。最近从玉米葡萄糖经过发酵制琥珀酸也取得成功。琥珀酸盐可以用作制一些化学产品如丁二醇、四氢呋喃，这些中间体又可进一步加工制成许多种产品。当前，用10亿磅这种原料可得到价值13亿美元产品，现在正在中试。多种学科进行合作就可取得良好的效果，这是短期内取得成效的一种良好运行模式。

(4)新分子

植物原料的投入固定，利用基因改性所用微生物或是专用酶，可产生新分子。此工作目前只在很小的市场中进行。当市场对具有特殊性能的新产品需求增加，投入产出可能会促使其发展，技术和经济的综合研究要沿着产品开发链进行，从界定所需要的产品——需要的特性——分子结构——中间体——酶技术——蛋白质/基因工程——投入植物的最佳原料——生产优化等。

3、新鲜农作物

此项作为中期发展机遇。

(l)现代化学

因为化学工业一般不认为农作物的利用能获得较高的经济价值，因此新鲜农作物并无吸引力。过去曾认为可以降低成本，但是实际上的技术限制否定了其经济性。

(2)改进化学

从投入产出看，存在类似问题，如果改进的化学工艺需要专门的农作物，-新鲜农作物可能会有优势。另一优势是在物流方面。按照改进工艺实施和运作规模，所需原料只能就近供应新鲜农作物。因此改进工艺应当与供应系统平行进行才能互相支持共同发展。植物作为原料补充资源时，困难在于许多烃类加工装置不位于农作物和森林种植地区，而植物基原料运输费用很高。

(3)生物加工工艺

与改性化学类似,区别在于如何将原料加工成中间体和最终产品。在技术上要考虑农作物品种的适用性，一种生物工艺可以对多种品种进行加工。优化工艺是影响运作经济很重要的因素。

4、改性基因类植物

这是中长期发展机遇，其可提供的成效目前尚难以想像，今后是否出现碳水化合物经济，或是其他经济，这要看建立在生物工程基础上的新工业平台所能发挥的作用。

(1)现代化学

基因改性植物基原料可能成为现有的烃类加工系统原料。但是，改性植物分子在烃类系统中降解所花代价太高。因此投入技术要能跨越加工技术，或者是较复杂的分子能直接得到并进入制造链，再有是新工艺路线能高效地应用此改性原料。当然这些变革都要从经济和环境两方面来评价其效益。

(2)改性化学

对优化植物/农作物基原料投入和加工有好处，应当进行此方面研究。至于何时见效则要根据基因技术进展及其达到工业化时间来确定。

(3)生物加工工艺

微生物或酶进行基因改变达到强化工艺过程目的。生物工程具有长期潜力，在原料投入和生物技术本身之间创优，有时所需要的可作基础原料的分子可以部分在植物原料内进行合成，用生物转化或高度专门化的生物/化学工艺进行分离。为了继续应用化石燃料生产专门产品，需要进行研究开发，使有限资源能取得最大的价值。

(4)新分子

过去20年中，塑料已成为最大的工业部门，在日常生活中代替了玻璃、陶瓷、木材和金属。市场将会根据消费者的意愿和需求发生变化。材料科学将继续发展，市场销售者将继续设计新的消费品，塑料的未来变化难以预料。能作为新工业发展平台基础的新分子将会很多，物理与化学科学与生物工程材料结合将产生新的领域。植物基可再生资源将是未来的主要资源。新陈代谢工程是将丰富资源制造成所需基础原料的渠道，支持社会基础设施。开发和拓宽其可能性，需要先进的技术，这将是未来新领域。

生物技术的潜在影响及实施“设想”的工作途径

生物技术的潜在影响

对一个新的技术领域进行评价，可以从如下几个方面来分析：近来变化的速度和引入的速度、量度及其带来利益的水平及公共公司投资、评价专利活动和有关协会的活动、观察开发进程、审视所取得的成功进展。

90年代初期，许多人对生物技术将对农作物带来很大变化是持怀疑态度的。到1996年，转基因作物在产业化方面取得成功，明确地澄清了这个问题。这些早期的成效是关于新的作物保护途径，对保护植物生产免受病虫害起了重要作用，对进一步了解和掌握如何改进植物组分也很重要。

由于管理方面的需要，转基因大田试验记录由美国动物和植物健康监测服务中心保存。从记录中可以看到一些行之有效的转基因改变植物组分的工作正在进行之中，试验范围也在不断扩大，一些主要的公司如杜邦、孟山都和PioneerHi-Bred等都在进行。

为了改变植物组分以提高营养价值，改善加工性能，或是为了某些工业和制药的应用，一些转基因改性品种已经进行了评价，包括碳水化合物的变革、油和脂肪酸改性、提高氨基酸水平、蛋白质形态操作(typemonipulation)、纤维特性改性、产生抗体、工业酶生产、二级化合物操作(甾醇，earotenoids等)、新型聚合物生产。

转基因技术发展非常迅速，为植物基材料扩大应用开辟了新的途径，使其可以为工业生产提供分子基础原料和更为复杂的分子原料。用植物基原料主产聚合物，制造塑料就是一个成功事例。从A1-coligenenentrophus细菌的3种基因已经能转入植物的1ipid合成中，可以得到polyhydroxybutyrate(聚羟基丁酸酯)，浓度可达14%。这种生物可降解的热塑性塑料正在进一步开发，使之可以从黄豆、棉花和油菜籽制备。

在过去50年内，通常用的植物培植产率已经提高了3倍，根据农作物满足食物、饲料和纤维不同用途，选择不同的方法得到具有不同特性的产物。高级植物种植要用基因图谱和转基因技术，进一步提高食物和饲料生产需要供应的植物基原料。

生物技术对植物基原料已经产生革命性的影响。但是，用生物技术来改变植物，使之适合烃类经济需要，并不是一条最佳途径。这就需要进一步弄清什么是工业链需要的因素，而这些因素又是能在未来转基因植物基可再生资源中具有最大的优势。

实施“设想”的工作途径

要成功实施美国可再生资源开发利用的战略设想(以下简称“设想”)中所提出的大纲，需要将研究、开发、工业过程工程以及对未来的市场了解等项工作有效地集成起来。适应“设想”的多学科计划以及各个项目的协作都要求有一共同的目标，向前沿技术迈进。应用改进的化学工艺加工现有的农作物，包括集成运用生物工艺，可以纳入短期计划之内，从当前到今后10年可以着手实施。这是研究中的一个热点。另一个热点是观念上的飞跃，超越当前的烃类化学，结合基因改性植物，运用新的工艺，这可以纳人中长期计划中，在10到20年甚至更长时期内实施并产生影响。上述两个热点都是当前在研究中进行投资，在不同期限内可以取得回报。

如果在这些领域内取得成功，在工业应用上就可以有了一个可行的坚实科学基础。新鲜作物应用开发将被看作是一个降低这些系统成本的一种机制，或是改善供应状况(数量和质量)，满足工业发展需要。

当审视植物基可再生资源的前景时，可以看到供应链本身包含着许多重大课题。不同物种发展有各自的地理优势，可以形成专门原料的加工中心，包括进入国内和国外两个市场。对转基因作物的鉴别保护机制仍在变化，植物基可再生资源上的这些系统都需要进一步研究。

本“设想”并非要给各种问题以答案，而是指出未来潜在的可能，在各方面采取一定的步骤就可以使其实现。下一阶段就要进行各方的协调工作，使多方面的投资者能有一个投入的基础，针对“设想”提出的目标进行开发工作。该规划要订出各项目计划，通过研究和开发来支持“设想”中提出的方向性指标。各计划项目要符合下列一个或几个方面的要求。

优化生物质和农作物基原料生产，达到计划应用要求状况。

为植物基原料的供应链提出装置、地点、贮运和分销措施，包括加强农村经济的机制。

加速发展基于改性化学和生物工艺的新工艺，同时考虑利用植物/农作物基可再生资源原料。

对多类投资者支持的项目，对上述三个方面中一个或一个以上将产生影响的项目，或是多学科项目等将给以优先和优惠待遇。投资项目选择标准应考虑时间要求和潜在影响的大小来确定。

植物/农作物基可再生资源对工业基础原产的需求增长是一个战略性措施，也是使美国在21世纪继续保持领先地位的战略性选择。开发基础资源具有经济、环境和社会方面的好处。机遇是明确的，考虑未来的设想是需要的，要联合投资者对新途径进行投资，才能创造一个安全的未来。

“设想”文本中不止一处引用达尔文的名言“能够幸存下来的物种，不是最强的，也不是最聪明的，而是能适应变化的”。

2020年可再生资源应用将增加五倍

《植物/农作物基可再生资源2020年设想实施的技术指南》(以下简称“技术指南”)，是《植物/农作物基可再生资源2020年设想》(以下简称“设想”)的补充，提出的目的是：支持“设想”方向，确定发展中的主要障碍和问题，确定优先的研究领域。

要达到上述目的需要进行协调观念开发，收集专家证明，组织多学科研讨会、听证会，优势排队试验和团队行动计划等多项工作。在“技术指南”编制过程中吸收了各方面人士的意见，参加研讨的共有66名有关部门不同行业的专家。专家们就全球性问题提出“设想”，针对“设想”结合现实状况提出存在的主要障碍与问题，再确定研究与开发领域，从而找出优先研究开发的课题。这些课题所属领域都是能为利用可再生资源实现可持续发展起最大杠杆作用的研究领域。通过参加“技术指南”研究和编制的专家的专业情况反映出在化工制造中应用生物基原料需要涉及多门学科。但是有3个产业是中心，即化学、生物和农业，每个产业都涉及几门不同的学科，如农业，林业和石油化学。

1、农业和林业

农业：是一个广泛的概念，包括谷物生产、林地和牧场等。这些土地上生产的农产品和林产品一起构成生物基材料，它们通过太阳能，大气中的CO2和土壤中养分进行原始生产而成为可再生资源。美国拥有大量优良土地，丰富的自然水资源和先进的技术基础，通过资源保护和利用，每年可产生可再生资源的巨大财富。林业：在美国有超过6.5亿英亩（1英亩=4046.24平方米）的森林，从业人口140万，每年生产价值2000亿美元产品。过去10年内，纸张部门的增长比木材业快。木材和纸产品回收循环利用率高，每年有约4000万t纸再生利用。美国的林业已经制定出2020年发展设想以及相应的研究计划。该设想呼吁进行研究，用先进的生物和遥感技术以及树木生理学和土壤科学等理论。

农业和林业通过应用基因学技术和转基因植物等新手段将会出现大的跃进。在不久的将来，可生产出大数量和高质量的作物。除了饲料和食品，还可以为工业部门提供原材料。而且还可以引入某些酶标记基因，可能会在植物体内制造完全新型的聚合物，并可大量生产，成为经济的消费用品。

美国将技术进展应用于植物和农作物的调整，使其在农业、林业和制造业中保持可持续发展的领先地位起着主要作用。国家的未来明显地要依靠近期开发可再生资源基础的研究来支持。

2、石油化工业

化学、工程学、物理学和地理学等几门学科在石油化学工业中的应用，对人们生活产生的影响是50年前难以想像的。石油化学工业成功地创造了众多产品，从高性能的喷气发动机燃料到基础化学品以及许多聚合物，如聚丙烯、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯和聚碳酸酯等。

石油化学工业：是资本密集型工业，已经建立了可观的基础设施来处理和加工化石燃料。美国每天要用1390万桶烃类原料，多数是作为燃料型产品，用于化工及其他工业基础原料生产，每天约为260万桶油短类原料。

近年来，工业化学品和塑料生产都有巨大的增长。塑料工业从业人员120万人，有20000套生产加工装置，过去在研究开发上花费以10亿美元数计的投资，才获得了今日成就。如果塑料制品的原料没有可再生资源，迟早有一天会变得十分昂贵。一方面，是否还有上万亿桶的石油开采量，原油价格能否在每桶10美元以内。世界原油生产已经变化迅速，而且有许多不定因素。另一方面，化石燃料资源是有限的，这是无可争议的事实。重要的是考虑当供应呈峰值时未来价格的敏感度，而不是去争论何时是油将用尽的理论时间。最近由于几处新资源的发现及应用，在20年内原油产量可能会有所增加。但是，必须注意美国一直是原油进口国，50%原油靠进口。如果原油进口一旦停止，北美可采用的化石燃料资源储量按目前消费水平只能维持约14年。如果保持目前进口水平而不增加，也只能使用28年。当然，将会有新的改进的抽提技术，例如水平钻探和核磁共振钻孔等，但是要在近年取得成效，希望是不大的。

用可再生资源补充石油化学品，要从现在开始，由少量到大量逐步进行，有关研究工作要立即开始。不考虑化石原料供应衰退时间表的争论，由于人口增长以及一些新兴国家人们生活水平提高，需求将继续增长。在可再生资源取代化石燃料之前，它将作为一种补充资源。因此，无论如何在美国开发可再生资源作为工业原料都是十分重要的。

“设想”中提出的指标是“2020年基础化学品至少有10%来自植物衍生可再生资源，随着发展观念到位，2050年要提高到50%”。要注意无论是美国还是全世界总消费量的增加是很快的，因为即使2020年的10%目标是按当时的生产总量计算，也比当前消费水平要提高4—5倍，绝对的增加更大。如果2020年消费水平本身提高1倍，可再生资源的绝对指标也要翻番。

换言之，不能期望可再生资源在不变的需求环境下能完全取代烃类资源，而只有当消费产品需求增加，可再生资源可以能满足此增加需求中的一部分。在2040年时间框架中，指标可以是：可再生资源应用使化石燃料能稳定地维持现在的消费水平。按此指标可以形成以下的观念：

由于不是一个竞争替代战略，可再生资源并不与非再生资源直接竞争。

需要用可再生资源和非再生资源两种资源来满足未来20年的需要。30年以后，可能要更多依靠可再生资源，因为那时的化石燃料将会很贵而且有限。满足近期指标的支持和研究完全与长期目标保持一致，这些方向性指标，非常清楚地表明面临的挑战是巨大的，需要从现在就采取行动，应当开始建立通向扩大利用可再生资源的道路。除了建立可操作的可再生资源基础指标外，其他一些相关的指标也是很重要的，包括：

建立系统，通过加强经济可靠性的基础设施支持，将供应、制造和分销等活动集成起来。

通过功能基因学来提高对植物新陈代谢的理解，优化对专门的增值加工工艺的设计和应用，除应用现有的组分外，要开拓新型聚合物生产和应用。要保证开发的新工艺过程的效率高于95%，同时应用伴生工艺，应用所有副产物，消除废料，保证新的平台能在特殊的环境条件下坚持目标方向对确定目标与研究指标要反复交叉检验，使其能坚持可再生燃料/能源需要的目标。

在生产和分销中要开发保持稳定供应的途径，在年生产一定范围基础上控制一些因素，如价格、数量、性能、地区分布、质量等。同时要制定提出这些因素的标准。

建立进一步合作伙伴关系，改进综合集成，通过加强农村发展来支持取得成功。

“设想”的目标要实现，主要要使本“技术指南”中所列出的目的大纲都能达到。基因改性植物生产专门的代谢产品和开发补充性的化学改性产品取得成效就可以达到2020年可再生资源应用增加5倍的目标。这些进展也将为2020年以后的进一步发展奠定基础。

可再生资源应用技术和市场的障碍及问题

将可再生资源制成消费产品的整个系统中有许多障碍和问题，其中关键和问题是：

植物科学方面：基因学、酶、新陈代谢和组分。

生产方面：单位成本、收率、持续性、基础设计、植物设计。

加工方面：经济学、分离、转化、生物催化、基础设施。

应用方面(由技术和材料驱动的问题)：经济学、功能性、性能、新用途。

应用方面(由市场和需求驱动的问题)：价格性能比、性能、知觉、市场开发。

现将上述关键和问题择要分别介绍于下。

一、关于应用方面（材料驱动问题）

1、经济学

单位成本是当前植物衍生材料使用的主要障碍，也是经常引起争论的一个问题，问题的核心是竞争性成本状态。在多数情况下，应用植物基原料的成本都比较高，难以与以烃类原料为基础的加工工艺竞争。但是，成本竞争情况有几个非常复杂的因素互相影响，诸如产品价值、材料成本、产量、需要加工程度以及所用基础原料的性能等。因此如果未来的战略只考虑降低本是不会成功的。最重要的经济推动因素不是成本本身，而是制得的产品和制造费用的差价(即增值)。

产品价格是诸多因素的函数，诸如产品利用、性能、消费者喜好和需求等，而制造成本则受原材料价格、供应的持续性、加工、废料处理费用和投资等诸因素影响，要符合当前的具有竞争性的通用化学品工业的低成本需要。但是，从长远考虑，只进行成本比较是有问题的，因为未来的化石燃料的成本是难以预测的。

在当前情况下，用烃类原料生产消费型产品的加工效率是很高的。但这并非是化石原料本身具备的特点。因为石油化工已经研究了100年，有了3代科学家，政府投入了大量资源才使之达到今日的水平。与之相比，植物基材料应用尚处于较低的水平，开拓植物基原料应用来适应已臻成熟的烃类加工需要并不是一条唯一的道路，目前应用数量还是很少的。另一条路线是通过弄清植物衍生材料性能进行技术开发，用基因改性植物，使之能提供含有需要功能的组分。

2、功能性

改变植物中的不同组分含量的目的是提高其功能性。在石油化工中先进行原料裂解降级成为简单的分子，随后用它们再行合成为较复杂的分子和聚合物。植物中已经含有不同形态的聚合物，可以在许多产品中应用。但是，在现在加工系统中尚无大量应用。用量有限的原因有几个方面，其中主要的是由于缺乏对其功能性的理解，而只注意其成本。最近，已经由植物衍生的蛋白质聚合物研制出塑料薄膜的试验产品，显示出其应用的潜力。而且，植物拥有立体化学结构，可以得到一些有价值的手性分子，如糖类、维生素、氨基酸等。从总体看，目前对植物基础原料的反应性和功能性尚不够了解，因此限制了新应用思路的产生。

二、关于应用方面（需求驱动问题）

1、市场开发的费用

植物衍生材料应用的一个关键是市场开发费用高。正如许多新产品市场一样，新产品的研究往往是由小公司开始的，它们投资不足，缺乏继续发展的资源，常常只停留在试验阶段。工业化的成功率低，由于没有一定的供应量而常使产品衰落。因此，需要大力改进产品开发和支持机制，而且要进行与产品相关的市场开发，这是扩大利用可再生资源的主要工作。目前市场上应用的标准都是基于石化产品，没有适应生物基产品的标准，这也是要成功地与石化产品竞争的另一障碍。

2、认识问题

植物衍生材料常给人以较低级的印象，这可能是由于当前处于“石化时代”之故。对某些制造厂商来说，它的性能较差，主要是因为未得优化。虽然公众环境意识增强，但是对植物基产品需求尚不足以创造市场来拉动技术开发。因此，当前可再生资源的进展主要是基于技术推动的结果，只有增加市场拉动才能有力吸引公司更多投资。没有要变革的冲击，就不会有更多的变革。因此，如果没有各种经济倾斜途径，现状是难以改变的。

三、加工问题

1、基础设施中分销问题

多年来石油化学工业已经建立了加工和分销烃类基础产品的有效基础设施。由于依赖进口原油，美国的多数基础设施是建设在海岸线上。因此，许多现有的加工装置并不适合大量植物基材料的收集。植物原料都是在木材加工厂、榨油厂和玉米湿法加工厂进行加工，它们最好接近于供应地。要应用大量植物原料就需要进一步将供应和加工制造集成起来。应当开拓确立农村发展优势和重点的战略和措施，更好地鼓励多用可再生资源。

2、分离技术

应用植物于工业用途的一个关键是缺少植物组分的分离技术。树木具有非常复杂的成分如木质纤维素。此成分强度高，但要将它分离为有用的分子组分则很困难。多数农作物收获品是种子，它们含有碳水化合物、蛋白质、油分和数万种其他组分。通常对许多谷物发芽和生长都能进行良好的安排，而对其作为原料进行分别管理则很困难。一些除去原始粗组分的工艺，如榨油和提取糖分等已经开发，但如何将专门形态的蛋白质和纯的含碳组分分离则仍是困难。在植物基原料加工中常遇到非常稀的水溶液物料，处理费用很高而且技术困难，这是应当要解决的问题。将反应与分离集成起来的加工系统(如催化蒸馏)可能是一个解决问题的方向。但是此类系统目前应用有限。而且还未被开发作为植物基原料方面的应用。通过引入某些基因而使植物增加新的组分，就更需要应用先进的分离技术来回收有意义的新组分。例如生物聚合物开发中目前就因缺少高效纯净的经济上可行的分馏工艺技术而受到限制。植物的组分如不能有效地分离出来，就不可能控制最终产品的特性和质量。

3、转换技术

要利用植物中各种组分的另一问题是将这些非均相的混杂原料转换成较为简单的分子，这才可以进行进一步反应。在植物基原料中，加工工艺需要有高性能的多功能生物催化剂或是非均相催化剂，这些催化剂具有多种功能并可以进行回收。

知识不足是另一关键，目前人们尚缺乏关于植物组分的自然差别和来自不同作物的同样组分的特性等方面知识。这些知识的缺乏和不足就构成难以鉴别植物的差异性，缺少鉴别的手段，因此也就难以考虑作为原料的应用。发酵是用来将某些农作物转化为各种产品的工艺，转化是非均相的。所用的转化方式，副产利用和分离等方面仍有许多有待改进之处。一般地说，植物系统的复杂化学问题使新型或改进植物基加工工艺的设计较为困难。烃类化学制造中有丰富的氧化化学知识，还原化学方面较少，这些都是植物系统加工所需要的。目前特别缺少关于还原生物催化剂共生因子系统方面的实践知识。

植物原料加工工艺开发的另一个大的障碍是当前缺乏有关的教育培训。目前化学工程课程中只有少数涉及生物化学课题，多数毕业生成为化学工程师只拥有非常基础的生物工艺知识和有限的重要生物分离的知识。多年来，工艺化学家和工程师的培训重点都是烃类化学，考虑植物基可再生资源加工需要很少。

四、生产方面

1、收率、持续性和基础设施

因为目前尚未利用大量植物基原料，除木材和造纸外，只是关注未来的供应分销而不是现实存在的问题。但是，这些对实现可再生资源的目标都是十分重要的。在供应的持续性方面，数量和质量都是未知数。如果植物基原料能加工成简单的碳分子，其持续性问题就不成关键。但是如果要设计应用其中某种特殊组分(如聚合物)，或是要直接抽取其中某种专门组分，原料的质量和数量的稳定性就非常重要。

在一些情况下，供应持续性中的不确定因素实际上就是风险管理的内容。未来的石油化工供应问题和可再生资源供应问题都有风险。对石油化工来说，未来的供应不桷定因素可能因世界上一些区域的政治变化而增加。而对植物基原料来说，气候可能成为不确定的地区因素。如果某些专门植物不能大量生产可能导致贸易上的不确定因素，这些问题不需要采取断然措施，但是需要重视通过改变基础设施来保证经济可靠性。另一个冲击供应持续性的不确定因素是未来的农作物用途是作为食物还是作为工业原料。一方面是根据供应短缺理论，认为农业难以供应飞跃增长的人口和消费品增长所需的原料。实际上，从需求角度看，食物和原料都在增长，即使不考虑可再生资源进行工业利用，食物本身也存在问题。解决食物问题的方案也可能就是解决工业原料问题的方案。因此，在供应方面必须应用新技术，如生物技术，这样才能保持产率不断提高，使农业能达到一个新的水平。

2、植物设计、植物科学、基因学

转基因技术已经显示出令人鼓舞的前景，要进一步充分利用尚有大量工作有待进行。存在的一个主要障碍是对植物本身内在新陈代谢过程还不够了解，不能按特殊聚合物和其他材料的需要进行设计。因此，对植物新陈代谢和碳流的知识匮乏是其发展中的限制因素。

近年来功能基因学的进展有望促进对材料合成设计的理解。但是这门科学目前刚开始，与类似的医学领域相比所取得的支持还是很有限的。基因转变中的另一成就是让更多的专用基因嵌入和对质体以及细胞核的常规转变。在植物变化、基因学和生物信息等方面有着广泛的研究项目，但是将这些出现的新技术应用于可再生资源的专门研究则很少。

要使科学知识不断深化，在一定程度上取决于消除这些主要障碍，有些已被称为多学科的研究。但是，需要努力加强和协调才能促进现有的障碍及时地被克服。换言之，基因管理的研究必须紧密地与植物内含聚合物的功能性以及分离工程等研究相结合。

研究和开发的课题

《美国植物/农作物基可再生资源2020年设想的技术指南》(以下简称“技术指南“)列出为解决植物/农作物基可再生资源利用中的主要障碍应当进行研究开发的课题。“技术指南”按4个主要方面的障碍依重要性大小列出研究开发课题，每个研究课题的影响都有其时间范围，其中近期表示0—3年、中期表示2010年、长期表示2020年，近期目标的达到可用以衡量面向2020年可再生资源开发利用设想的前进步伐。

一、植物科学研究方面

1、近期影响课题(按重要性依次减小顺序排列,，下同)

(1)应用功能基因学了解植物新陈代谢和组成，至少要与1种主要农作物基因计划结合；

(2)开发能实时进行植物组分的定量分析工具；

(3)改进转基因方法，特别是对麦杆基因的专门嵌入，要在1998年基础上提高效益10倍；

(4)开发1—2种主要农作物的基因标记系列，使之有助于摆在有用的可再生组件含量；

(5)将80%现有的germplasmbase进行编目，有效利用各类淀粉、蛋白质和油分；

(6)找寻发展中的生物信息学利用途径，推动可再生资源的研究和开发，

(7)弄清nuclear-plastid相互作用。

2、中期影响课题

(1)在新陈代谢过程和碳流中至少弄清50个限制速率的关键步骤；

(2)利用功能基因学弄清分子、细胞和整个植物的控制管理；

(3)为主要植物用于可再生资源的组分制定标准；

(4)在2种植物中，建立碳库并为细胞分割确定控制点；

(5)在plastid转变中高效率(大于90%)方法的建立；

(6)创建示范工厂，使主要组分利用率大于60%(如油料、淀粉)或是专门碳键(如C5)大于3O%；

(7)利用基因开关的方法；

(8)建立为植物可再生资源利用的生物信息学基础。

3、长期影响课题

(1)重新设计新陈代谢过程，提供有用的碳结构骨架；

(2)应用有针对性进化技术建立100个未来原料的品种库；

(3)设计新型分子或改性现有化合物，使之适应于功能需要；

(4)为提供工业用原料，创制2种新植物种类；

(5)利用简单的细胞组织进行成本和能源效率评价；

(6)利用计算机技术设计植物组分。

二、生产研究方面

1、近期影响课题

(1)提高亩产量10%~15%以降低原材料单位成本；

(2)改善农业管理，提高肥料利用效率和虫害防治，

(3)确定至少10种影响原料组分和质量的因素；

(4)对至少10种具有潜力的系统和植物类型的亩产效率进行定标赶超（如主要农作物、林业和多年生种类等）；

(5)调节气候条件对生产的影响；

(6)每年对2种农作物的潜力进行评价或用其他方法评价亩产量；

(7)提高当前农业加工中废料利用率5倍；

(8)在单位投入基础上提高贫瘠土地产量2倍。

2、中期影响课题

(1)提高产量，使单位投入的碳产出为1998年基础上的2倍；

(2)为长期可持续发展，开发尽量减小土地、大气和水利用影响的系统方法；

(3)对收获产物和主要植物成分建立标准；

(4)专门设计收获装备，尽量增大碳的收获；

(5)开发新的利用方法，使现在遗留在土地上的农作物45%能得到利用，

(6)培育适应专门土地和土壤的农作物；

(7)建立农业信息学基础，重点是不同来源的可再生资源植物类型、生产价值、质量和单位成本。

3、长期影响课题

(l)在化石燃料排出废气中CO2的固定；

(2)从现在植物/农作物生产中消除碳的废料；

(3)设计新的农作物/植物生长系统，优化原料回收率(大于95%可利用)；

(4)对主要能源获取和固定，提高化合效率；

(5)对收获前期工作和部分就地加工的装置进行设计；

(6)对连续生产系统进行设计和评价。

三、加工研究方面

1、近期影响课题

(1)改进分离技术，处理大于95%的非均—植物材料；

(2)改进单体基础原料变换的生物催化剂；

(3)开发3种具有高选择性的快速反应强力催化剂；

(4)为将植物聚合物转换为有用的单体，找出新型和性能优良的酶(具有10倍活性)并进行评价；

(5)将微生物进行工程化，改善非均—植物的发酵；

(6)提高废物利用率2倍；

(7)开发高效的除水技术并对改进的非水溶剂反应系统进行评价；

(8)在植物材料中利用天然立体化学方法的评价。

2、中期影响课题

(1)应用5种以上高级分离系统(如自行清净膜、离子交换、精馏等)；

(2)为经济捕集植物单体和聚合物开发改进的分离——纯化技术；

(3)为2种以上植物类型建立经济共生系统；

(4)通过分子进化技术设计并创制50种新型酶；

(5)开发100种以上具有性能成本特性的新型酶库；

(6)研究反应性分级系统；

(7)对微生物、酶和化学品库的性能建立信息学基础，用于特殊的转化。

3、长期影响课题

(1)实现原料加工中无废料的多种产出的连续工艺；

(2)为改性植物和组分设计新设备；

(3)为3种以上新产品(如将工程化酶转入植物并在收获中得到活化)设计新机制；

(4)固态酶转化；

(5)设计14种化学与生物结合型反应器；

(6)评价植物组分在分离前相内的作用。

四、应用和基础设施研究方面

1、近期影响课题

(3)探求3种在现有加工装置(如玉米湿法加工厂、纸浆厂)上扩大应用植物原料的机遇；

(4)分析测量系统，对90%以上的主要植物组分进行定量；

(5)实时评价单位性能成本和增值成本的方法；

(6)评价运输系统及成本；

(7)计算出100%年加工贮存量和投人产出的需求量；

(8)创建基础设施，扩大利用农业废料。

2、中期影响课匾

(1)深入掌握植物中10种以上组分和碳键新陈代谢体的结构与功能关系知识；

(2)开发对高质量原材料的100%鉴别保护系统；

(3)为价值驱动的生产和定货实现营销系统；

(4)对在同一地点的多目的利用区的协同作用进行评价；

(5)对原材料组分和加工过程中的中间产物实现实时定量分析手段(小于3分钟/试样)；

(6)开发生产预测手段，准确性大于95%；

(7)在一组植物原料性能基础上建立信息学基础，如单位成本、性能、功能性、最佳来源、应用范围等。

3、长期影响课题

(1)所需功能进行分子结构设计制备植物化合物至少10种；

(2)在植物生产区内开发至少5个制造利用中心；

(3)开发3种以上有新功能的新材料；

(4)提出扩大利用可再生资源所需的教育培训需求；

(5)在植物组分功能间协同作用的利用；

(6)设计最终产品的贮存和运输，使之到达销售中心和出口；

(7)为供需关系的控制创建减轻超过90%风险的战略。

当前，美国有一些项目已在进行，可视为工业原料中应用可再生资源的先驱，也可视为本“技术指南”中研究项目的示范事例。其一是在转基因植物开发中的聚羟基丁酸酯(PIB)。PHB可在植物中生成，作为制造生物降解塑料的原料，用适当的细菌基因进行转化并弄清植物内在的新陈代谢路径，从而构成制备方法。现在正在进行分离、生产标准等项工作。

其二是用玉米淀粉作原料，通过酶反应制备聚乳酸(PLA)。Cargi11-Dow合资企业已在充分研究的基础上进一步投资数百万美元建立制造装置进行工业开发。PLA是一种生物裂解聚合物，原料是由玉米湿法加工工艺制备的葡萄糖，其中发酵过程和酶的活性是重要因素。最终的PLA树脂可视用户制膜、纤维、碳制品和涂层的需要分别制出不同规格品种。PLA具有聚苯乙烯、聚烯烃和纤维素的功能性。

协同与合作是取得成功的途径

未来利用可再生资源需要采取一条多学科和跨行业途径。在许多领域内的研究成就都提供了发展机遇，如生物聚合物、立体结构型分子、新型酶、新材料和转基因设计等。但是每个方面内的任何进展如果只当作孤立的技术领域是远远不够的，需要更有力的相关研究计划，采取平行的和协调的方式进行工作，才能取得成果。

要取得有效益的进展必须采取多学科的途径，这是非常清楚的。但是，任何一个组织都难以具备有如此深度和广度的技术能力。因此，对研究提供的支持应当是多方面的，而且要在跨行业的系统中进行。

“植物/农作物基可再生资源2020年设想”(以下简称“设想”)中提出的要求需将重点瞄准有限的热点目标同步取得进展。对于研究工作则需要有准确的时间表和系统中各方面的广泛交流，所有这些都要走相互协同的道路。例如，一位科学家可能发现一种新型聚合物，具有可以作为高级生物降解塑料的功能，但是，此研究成果的价值受到以下一些因素的限制：发现适当的基因、新陈代谢过程可靠性、:最佳作物类型是否能有足够的产率和可承受的成本、各种聚合物组分分离可能和利用此材料制造新产品的方法等。所有这些因素都需通过研究和开发才能取得相应的进展。进行这些研究开发要采取最佳途径保证研究成果关键的目标互相协调、平行地进行，此途径要鼓励私营部门的参与。

当前，植物和农作物作为生物质和原料已被应用，诸如淀粉、蛋白质、脂肪酸和异戊二烯化合物。林业主要是为纸浆和造纸提供原料。黄豆则是用于油墨和涂料。玉米通过湿法加工发酵工艺已经进入几个工业部门，但是各种用量都很少。由于基因工程可以通过新陈代谢操作使植物或农作物生成有功能需要的材料，从而显示出新的发展机遇。

“技术指南”已经突出了未来取得进展的途径，而且确定了系统的各个组成部分的目标。成功地达到这些目标就可实现“设想”中确定的到2020年可再生资源利用增加5倍的目的，同时也为2020年以后进一步发展奠定了基础。按“技术指南”目标提出课题是人们用所有的天然资源满足不断增长的消费品和能源的需要。当前进行研究将为今后的产品选择提供机会。可再生资源需要将注意焦点放在以下几个方面：发展方向、最佳科学思维的应用、最先进技术的应用和最高级智能水平的继续研究等。本“技术指南”已经提出了需求和研究开发课题，其目的就是为美国开拓实施一条成功的可再生资源战略。而且也选出了需要优先支持的领域，它们都是从几个已经确定的科学研究和工业开发需求中选择出来的，而且考虑了在高级可再生资源的关键部门有最大的投资回报。

未来世界许多方面都会延续但将发生变化。幸运的是我们已看见其需求并具有科学智慧适应变化的发展。美国要保持领先地位就要继续采取迅速的行动来满足扩大利用可持续发展的可再生资源的需求。不断的科学突破和技术进步(正如“技术指南”文件中所列出的项目和课题)才能满足资源利用的挑战。这些挑战正在我们面前，我们面临的挑战是为满足人们对产品不断增长的需求。

“技术指南”中从两个方面表明多学科和跨部门的研究开发对实现“设想”的重要性：

一是植物的投人，同时要考虑废料和副产物利用、改性基因学的应用。

篇8

关键词：石油化工；压力管道；质量监理

压力管道为石油化工建设的要点内容，管道安装工艺是否规范，将在根本上决定石油化工各项装置的安全性与稳定性。就以往安装经验来看，在作业过程中经常会受外部因素的影响，如现场环境、天气因素、操作人员能力以及施工管理等，导致安装质量达不到专业标准。为改善此类问题，必须要重视安装作业的质量监理。

一、石油化工压力管道安装特点

1.种类多。由于石油化工行业的特殊性，以及其介质的多样性，致使石油化工管道的材料种类多样性，不同的管道材料，所需的焊材、焊接方法、对焊接环境和天气的要求都有所不同。管道材料进场时，应当做好材质标识工作，避免不同材质的混用，造成质量安全隐患。与其他类型管道相比，石油化工压力管道和管件种类更多，包括管子、管件、阀门、法兰、密封垫片、过滤器、安全保护装置、节流装置等。并且，现在市场上存在的管件种类并没有统一的质量标准，不同型号、规格、品牌的管道元件具有很大的差异，所对应的安装技术要求也有较大的区别，如果完全按照统一的方法安装，势必会对安装质量产生影响[1]。2.设计复杂。基于不同种类管道元件的多样性，在对管道安装方案进行设计时，也将要面对更多影响因素，整个方案的编制具有更高的复杂性。并且因为运送介质操作流程的复杂性，想要降低外部因素的影响，就需要从实际情况出发，结合以往成功经验，随时对设计方案进行调整，保证安装作业可以有效进行，整个过程要面临更大的难度[2]。3.技术难。石油化工压力管道的安装与其他类型的管道作业相比，因为其应用方向的特殊性，对安全性和可靠性有着十分严格的要求，因此对于管道安装作业也将要面临更多大的难度。例如受空间限制，设备与管架系统内压力管道分布密集度高，且预制埋深有限，需要设置更多的焊接点。

二、石油化工压力管道安装工艺流程

1.方案设计调整。基于石油化工压力管道的特殊性，在对其进行安装作业时，需要提前做好安装作业方案的编制，并按照专业流程进行操作，提高整个作业过程的有效性。应结合工程安装作业的环境特点，综合分析规模以及设计要求，对安装方案进行对比和调整，然后做好一切准备工作，并根据需求安排好作业人员，以及人员的技能考核和技术交底。2.材料进场验收。安装作业实施所需各项材料比较多，为避免对正式作业流程的影响，需要提前对所需材料构件进行质量验收，包括规格、等级以及其他方面的检验，达到施工标准后进行预制加工。3.构件焊接组装。验收合格后对各管道组件进行焊接处理，并按照专业标准进行检验，确定质量合格后，需要对阀门以及管支吊架进行专业验收，并根据设计图纸和相关顺序完成管件的组装。然后进行焊接与强度测试，保证焊接牢固度达到专业标准，确保管道能够在一定歪理条件下具有较高的安全性。4.防腐与气密性测试。完成上述各环节后需要对管道进行防腐处理，尤其是焊接点位置的处理，对表面存在的残留物以及杂物进行全面清洗，避免有杂物附着在管道表面，降低管道后期使用安全性。最后，还要对安装完成的管道进行气密性检测，确定是否存在泄漏点，对工程项目各节点进行最终质量验收。

三、石油化工压力管道安装质量监理要点

1.工程材料质量监理

1.1进场验收。无论是通过任何方式采购的工程材料，进场时均需要进行质量验收，由施工单位进行自检，自检合格后向监理提交材料进场报验，报验资料中包括材料清单、自检清单、材料质量证明文件等，报监理单位进行审核。由专业监理工程师现场对材料进行外观质量进行检查，特殊材质的管道还需抽样进行无损探伤检测，确认合格后签字确认方可使用。1.2现场试验。石油化工压力管道所有阀门均需要进行试验，包括压力试验、密封试验以及上密封试验等，完成后根据实际情况完成试验报告的填写，并由专业工程师、质量检察员、试验人员等签字报监理备案。另外，对于管道防腐与保温的油漆和保温材料，均需要进行见证送样检测，并由检测单位出具检测报告且盖章。

2.安装流程监理

2.1安装施工准备。石油化工压力管道施工前，施工单位应向监理单位提报工艺管道施工方案，对于特殊材质，或是特殊工艺的管道安装，按实际情况可能要提报专门的施工方案，施工方案审核通过后方可进行施工。所有的焊工必须经过资质审查，施工单位在施工前向监理单位提报特殊工种报验，其中包括人员清单、焊工证件等。2.2工序质量确认。监理人员确定管道焊缝表面质量，无问题后还要根据设计和规范比例抽样进行无损探伤检查，确认后签字。其中，要根据设计方案、焊接专业标准在无损检测合格后，对管道焊接接头进行热处理，无论是何种材质管道均需要进行硬度检测。2.3现场试压试验。按照工艺流程完成管道安装后，对管道进行热处理和无损检测，达到合格标准后对管道系统进行压力试验。正式试验前需要由专业监理工程对试验条件进行检查，确认所有节点均按照设计图纸完成，管道系统检验合格，并准备好相关资料。还要确定管道膨胀节设置好临时约束装置，并完成压力表校验，且在周检期内。2.4管道防腐保温。管道试压试验合格后，还需要对管道进行防腐保温处理，任何隐蔽工程隐蔽处理前，均需要由安装单位进行自检、互检和专职检验，确定达到合格标准后填写相关资料，连同隐蔽工程验收单一同报给监理单位验收，由监理人员现场签字确认后才可进行隐蔽作业。

结束语

石油化工压力管道安装具有一定特殊性，更容易受外部因素的影响，为保证其安装质量达到专业标准，必须要基于实际情况，编制合理且可行性高的工艺管道监理细则，将质量监理工作落实到整个安装流程中，保证各节点实施的规范性与有效性。

参考文献

[1]邵海芹.石油化工压力管道安装工程质量监理[J].设备监理,2012,02:44-48.

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Abstract： In order to solve the bottleneck of resources in the practical training， a simulation software based on LabVIEW is developed by Automation Department of college of Information and Control Engineering in our university. In this software， typical equipments are selected as controlled objectives and other blocks are designed， including sensors， PID controllers and actuators together to form complete automatic control systems. Teaching practices show that the software is a powerful tool in both class and laboratory.

关键词： 仿真软件；测量仪表及自动化；自动控制系统；教学资源

Key words： simulation software；instrumentation and automation；automatic control system；teaching resources

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）07-0182-03

0 引言

《测量仪表与自动化》课程是一门有着广泛社会需求和技术基础的综合性技术学科，其水平是一个国家技术先进程度、生产力发达程度与生产关系相适应的标志[1]。现代化生产过程的科技人员，除了必须深入了解和熟悉生产工艺之外，还必须学习和掌握自动化仪表方面的知识，才能在生产、管理、调度岗位及科研部门充分发挥作用。我校信息与控制工程学院自动化教研室目前开设的这门课程适用专业除化学工程与工艺以外，还面向诸如环境工程、油气储运、建筑环境与设备工程、热工等专业。该课程包括过程测量仪表、过程控制仪表和过程控制系统三大方面的内容，涉及电子、机械、大学物理、自动控制原理等多门学科，是一门知识点多、涉及面广、实践性强、信息更新快的综合性学科。

对于工艺类专业学生来说，缺少相应的专业背景知识、学时短（根据不同专业，目前学时设置为48或32学时）；加之相应控制系统部分概念抽象、知识联系紧密、难于理解，学生学习难度较大。为此，我教研室专门利用LabVIEW研发了自动控制系统仿真软件作为仿真教学资源使用。下面就该软件的开发背景、功能和使用做逐一介绍。

1 自动控制系统仿真软件的开发背景

1.1 《测量仪表与自动化》教学中的重点和难点 目前我校《测量仪表与自动化》课程大纲明确要求学生掌握自动化仪表的基本原理、结构和特点，为自控设计根据工艺条件选择合适的仪表；除此之外，更强调掌握自动控制系统的基本概念，能对工艺过程提出合理的检测和控制方案。

笔者在教学当中发现，工艺类专业的学生在学习过程测量仪表部分，各种压力、物位仪表虽然种类繁多，但相应学时较长，占到总学时一半左右；加之内容直观，通过图片、实物、动画等方式，学生们可以理解掌握。但随着课程内容进展到过程控制仪表部分，接触到控制器、执行器以后，一些抽象概念诸如控制点、控制规律、控制器正/反作用、调节阀气开/气关、PID算法等内容逐渐让学生感到吃力，且内容相对较少，讲解速度较快。而最后一部分过程控制系统中被控对象的动态特性、自动控制系统的过渡过程、被控变量、操纵变量及控制器参数整定等概念也让学生感觉枯燥单调，学习积极性不高，难以形成有关系统的概念。

这一点可从《测量仪表与自动化》期末考试及课程设计环节中发现，部分学生由于不理解自动控制系统的基本概念，设计出来的控制方案东拼西凑，导致整个设计文件完全错误。

1.2 工程实践中的重要性和实用性 关于过程控制系统基本概念的重要性，笔者还有过亲身的体会。一次在某大型炼厂的催化裂化车间调研过程中，该车间的工艺技术骨干就急迫提出希望我们能够给他仔细讲解一下PID参数整定的内容。这是因为他意识到自动控制系统对于装置设备的平稳、高效和安全的重要性，而对PID参数的认识不够使他不能大胆自信的在DCS工程师站整定PID参数。经过两个小时的讲解，该工程师详细做了笔记，并就相关概念提出了大量问题。

另一次参与某石化公司新项目装置开工建设过程中，负责工艺的工程师需要给新上岗的操作工人培训装置的控制方案。但拿到设计图纸后，面对图纸当中的复杂控制系统，诸如分程控制、比值控制及选择控制等尚不能充分理解，更何谈培训上课。发愁之余，找到笔者帮忙。除了讲解了上述复杂控制方案后，对方还索要《测量仪表及自动化》一书作为参考书使用。本课程内容在工程实践中重要性和实用性可见一斑。

1.3 其他院校的多媒体教学手段 近年来各高等院校不断就《测量仪表及自动化》的教学内容、教学方法、教学模式等进行着的讨论、改革与探索[2-5]。上述文章当中无一例外提到，这是一门专业理论知识与工程实践结合非常紧密的课程，教学中应摒弃单一的板书和PPT授课方式，而充分利用多媒体和计算机技术进行仪表设备及自动控制系统的演示。孙自强提出利用通用的工控组态软件的演示版，可形象的模拟控制现场和控制室的操作[3]。曾珞亚等利用Matlab与VB混编来显示过渡过程曲线和进行控制器参数整定[4]；邬勇奇等制作了Flash仪表动画[5]进行演示，如电接点信号压力表等10个仪表动画。

2 自动控制系统仿真软件的基本功能

该仿真软件选取液罐代表了生产过程中的物位对象。与直接使用实际装置仿真软件相比，可使学生避免花费大量时间熟悉整套生产流程和繁复的组态软件操作，而将注意力全部放在控制仪表与控制系统上。下面介绍软件的基本功能。

2.1 手/自动控制系统的对比 该软件专门设计了手动控制和自动控制的切换界面。手动控制界面如图1所示，仅有液罐（被控对象）、进水手阀和出水手阀。界面上还显示柱状显示水位设定值、实时液位实际值及设定值曲线显示。操作者课根据实际水位（测量值）和理想水位（设定值）相比较的结果，决定开大或关小手阀阀位，从而调整液罐水位，模拟实际工况中的人工控制。手阀阀位的修改可以直接修改阀位文本框，或通过转动手轮实现。

自动控制界面如图2所示。与手动控制界面相对比，自动控制界面增加了液位传感器、PID控制器、调节阀（由原手阀修改），与原液罐构成一个完整的单回路控制系统。界面色彩鲜艳，各环节设备形象生动，基本能够达到真实现场的使用感受。

2.2 测量传感器的设计 该水箱液位传感器模拟恒浮力液位计。浮球始终漂浮在液面上，随着液面高低变化而变化。液罐下方增设了液位计的仪表表头。此外，测量值采用红色细信号箭头线（区别与蓝色的粗管道线）送给控制器，表明了仪表之间的逻辑关系。

2.3 控制器的基本功能 控制器面板如图2自动控制界面左侧所示。该控制器模拟实际单台数字调节器（如DRC-97智能记录调节仪），实现了控制器的基本功能。

2.3.1 显示功能及控制运算 控制器面板上显示偏差（比较器）、输出（运算器）、给定值（水位给定）及PID参数等。PID参数可以根据用户需要实时交互式修改。

在自动状态下，根据水位给定和水位测量值得到偏差e，控制器将按照PID算法给出输出操纵值（MV，Manipulated Value）信号。值得注意的是，控制器的设定值与测量值通过采用红色细信号箭头线送给比较器，而比较器得出的偏差e送给运算器进行运算。同时该操纵值信号同样用红色细信号箭头线传送到调节阀上，表明了信号之间的基本关系。

2.3.2 控制器的正、反作用选择 控制器下方的两个选择按钮分别是正作用和反作用。选择正作用时，控制器的测量信号增大（或给定信号减小）时，其输出信号随之增大；反作用则当调节器的测量信号增大（或给定信号减小）时，其输出信号随之减小。这是控制器构成闭环负反馈控制系统的必备功能之一。

2.3.3 手动/自动切换 控制器具备手动/自动切换功能。选择自动时，红灯亮且功能面板显示“自动”字样。此时，控制器输出根据控制规律随偏差变化而变化；选择手动时，绿灯亮且功能面板显示“手动”字样。此时控制器输出与偏差无关，控制规律无效直接由手操纵控制器输出，类似于直接手调阀门开度。

控制器还具备实现手/自动双向无扰动无平衡切换功能。在手动状态下，此时设定值（水位给定）不能由操作者输入运算器文本框改变，而是跟随测量值的变化而变化，始终保持偏差为零，即控制器PID算法输出增量为零。所以切换至自动瞬间，控制器输出无跳变；在自动状态下，控制器的设定值可以通过改变水位给定文本框或柱状显示来改变，此时输出不能通过文本框改变。切换至手动的瞬间，控制器输出无跳变。该控制器具备实现自动/手动无扰动无平衡切换功能。

2.3.4 调节阀的设计及气开/气关选择 执行器模拟最常见的薄膜式气动调节阀。气动调节阀有气开式与气关式两种形式。软件中所设计的调节阀，若选为气阀，运算器输出为0%，阀门全关闭，运算器输出为100%，阀门全打开。

2.5 系统过渡过程的显示与保存 为了说明控制系统的工作机理，实时曲线显示是必不可少的。界面右侧的绘图窗口可实时显示水位测量值、设定值及操纵值。可根据需要任意改变曲线的颜色和宽度。需保存某曲线画面时，右键导出简化图形即可。图3衰减震荡过程的简化图形。

3 仿真软件应用举例

下面以2学时实验为例，介绍该仿真软件的使用。提前下发电子版实验讲义及软件说明书，供学生预习及在实验上机过程中参看。

3.1 熟悉软件的基本操作（10分钟）。首先，引导学生观察手动控制界面与自动控制界面的区别。总结一个完整的自动控制系统包含哪几部分？该水箱液位控制系统当中的被控变量和操纵变量分别是什么？并要求学生在实验报告中画出该控制系统的方框图。

3.2 对象特性测试（10分钟）。利用测试法建立被控对象模型，并将测试曲线图进行保存。根据测试曲线确定对象的放大系数、时间常数及纯滞后时间。

3.3 调节阀气开/气关及控制器正/反作用的选择（10分钟）。给出工艺安全生产的条件，液罐水位系统中要求液位不能溢出。请学生选择调节阀气开/气关形式及控制器正/反作用。观察若选择不当会出现什么结果。

3.4 自动控制系统投运（10分钟）。复习自动控制系统投运的基本步骤，将手动状态调到稳定状态下进行投运。观察投运过程中控制器的无扰动无平衡切换现象。

3.5 控制器参数的工程整定（40分钟）。

3.5.1 纯比例（P）控制作用下的过渡过程测试 保持出水阀50%不变。将控制系统投运，设置PID参数（Ti>5000s，Td=0s），Kc分别等于1，5，20时，设定值从50%变化到60%时，得到的过渡过程曲线。将曲线画面保存并进行对比，说明Kc的变化对过渡过程的影响。

改变出水阀的阀位（相当于改变对象特性）至80%，重复上述步骤，观察曲线的变化。

3.5.2 比例积分（PI）作用下的过渡过程测试 保持出水阀50%不变。将控制系统投运，设置PID参数（Kc=3，Td=0s），Ti依次设置为4，10，20。说明Ti的变化对过渡过程的影响。改变对象特性（同3.5.1）后重复本步骤。

3.5.3 比例积分微分（PID）作用下的过渡过程测试

保持出水阀50%不变。将控制系统投运，设置PID参数（Kc=3，Ti=10s），Td依次设置为0，2，10，20。说明Td的变化对过渡过程的影响。改变对象特性（同3.5.1）后重复本步骤。

3.6 整理实验数据、图表，回答思考题（20分钟）。

4 结语

本文介绍了由我教研室自主开发的自动控制系统仿真软件的基本功能和使用。通过该仿真软件的应用，解决了《测量仪表及自动化》课程中实验设备短缺、教学手段单一的问题。该教学资源对于提高学生学习的兴趣，研究和掌握课程的重点及难点，培养工程实践概念都具有重要意义。

参考文献：

[1]杜鹃编，《测量仪表与自动化》[M].东营：石油大学出版社出版.

[2]潘浩，杜鹃.《测量仪表与自动化课程教学改革探索与实

践》[J].自动化与仪器仪表，2010，6：142-144.

[3]孙自强.《化工自动化及仪表课程教学改革与实践》[J].化工高等教育，2012，2：51-54.

[4]曾珞亚等.《MATLAB与VB辅助化工仪表及自动化教学

篇10

化学是自然科学中的一个分支，在科学技术和社会生活的方方面面正起着越来越大的作用。化学科学成果的应用，极大地促进了社会生产力的发展，成为人类进步的标志。化学发展成为自然科学的重要学科之一，经历了古代化学时期、近代化学时期和现代化学时期3个阶段。今天化学已发展到拥有无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、高分子化学与化学工程学等几大分支，并由此衍生出了许多新兴的交叉学科。化学学科文化是指在化学学科发展的过程中，创造和形成的化学学科理论体系，所具有的思想、方法、概念、定律，所采用的语言符号、价值标准、科学和人文精神、文化产品，以及教学和行为习惯的总和[1]。而化学学科知识、价值、思维、语言、教学和行为习惯等是化学学科文化的核心要素[2~4]。

1.1化学知识和价值观点

化学学科知识与化学学科文化之间具有密切的联系。一方面，化学学科知识的发展是化学学科文化产生的基础和存在的依据，并丰富了化学学科文化。如人类对原子结构的认识，经历了道尔顿实心模型、汤姆逊糕枣模型、卢瑟福行星模型、玻尔模型和量子力学模型等，在其发展过程中不但发展了原子结构的知识和理论，其“依据事实-提出假设-抽象建模-实验验证”的研究思想和方法也丰富了化学学科文化；人类对酸碱的认识经历了朴素酸碱概念、酸碱电离理论、酸碱溶剂理论、酸碱质子理论、酸碱电子理论和软硬酸碱理论等发展过程，丰富了“坚韧不拔、不断求索”的化学学科精神。另一方面，化学学科文化是维系学科学术共同体的基石，也是化学学科知识发展的内在动力。学科共同体成员坚信化学学科是造福人类的，追求人与自然、社会和谐发展的价值取向，遵循化学学科研究的行为规范，以伟大的化学家为榜样，不断探索化学科学的真谛，使化学学科知识得以丰富和发展。如新元素的发现、稀有气体化合物的合成等，正是化学科学方法得以科学应用所取得的成果。从哲学意义上说，学科价值是指学科对人类的有用性。这种学科的有用性包括了理论与实践上的有用性，个体与社会层面上的有用性等等，不同的学科有用性反映了不同的学科价值，形成学科之间区别的重要标志。化学是理论和实验结合、基础和创新并重的学科。化学学科的价值主要体现的两个方面，一是通过揭示客观事物的变化运动规律而得到价值体现，二是通过创造和识别能服务于人类社会发展的新物质而得到价值体现的。

1.2思维方法和语言系统

学科方法实际上是学科内开展科学研究的基本方式与途径，不同的学科往往以不同的方法论指导学科内开展科学研究，形成了不同学科之间思维方式的差异。学科方法（也可以说成是学科共同体成员的思维方式）是学科文化的内核，是学科共同体所有成员特有的研究和思维方式。化学学科研究方法主要有观察法、科学实验法、归纳法、数学方法、假说与模型等等。化学学科共同体成员习惯于根据实验事实，进行归纳概括、抽象推理的思维，习惯于从实物粒子的微观结构视角揭示物质变化本质的思维；习惯于关注环境因素对体系状态和性质影响的思维；习惯于提出假设、建构模型、实验论证的思维。化学实验方法在化学学科方法中具有特殊的地位。化学是以实验为主要研究方法的基础科学，即使是计算化学迅速发展的今天，化学实验依然是检验化学原理和计算结构的唯一标准。正如化学教育家傅鹰先生所说，只有实验才是化学的最高法庭。语言是文化的产物、载体和现象，是思维的物质外壳与呈现形式，是学科文化的窗口。每一学科独特的思维方式决定了其独特的语言方式或言语体系，学科共同体成员用这些专业言语体系进行学术上、思想上和情感上的交流，传递建立在学科知识和信仰体系之上的宇宙观、人生观和知识观。化学学科在发展过程中形成和丰富了自身学科语言。化学语言主要包括文字语言、符号语言和图表语言等。普适、通用和简捷的化学语言，能将众多的物质结构、组成、变化和性质等化学事实表达出来（如化学符号CO，表达了一氧化碳分子的组成、共价键成键情况、孤对电子数目等信息）。化学学科共同体成员用化学语言表示物质的组成、结构、性能及其变化规律，化学语言是化学学科共同体成员进行化学思维、学术和思想交流不可缺少的工具和中介。

1.3化学研究和教学行为习惯

学科研究和学科教学是学科最主要的学术活动形式，学科研究习惯和学科教学行为不但是学科文化的重要要素，更是学科文化传承和发展的基本保障。学科共同体成员的学科教学与研究习惯具有一致性，正是这种一致性保证了学科及其学科文化的延续和发展。学科共同体成员在长期的学术研究和教学过程中，学科知识和观点逐渐内化成学科成员的学识和信仰，逐渐改变着个人的人生观和价值观。伴随着学科知识的获取和传授，学科文化就在不知不觉中深深地影响着所有学科共同体成员的思想、规范、行为和习惯等，并成为他们参加社会生活的重要经验和手段。化学教学是由教师的教和学生的学所组成的双边活动。在教师有目的、有计划、有组织的指导下，学生掌握系统的化学科学基础知识和基本技能，并在此基础上发展能力，形成一定的学科素养和社会所期望的道德品质。化学教学行为体现了化学学科前辈们进行研究和教学的行为习惯，化学教学行为能够内化为学生的行为习惯。化学的学科特点和价值观点一定程度上决定着化学研究和教学行为习惯。化学服务于人类社会发展的价值取向，促使化学研究和教学关注化学在生产和生活中的应用；化学研究着力解决生产、生活和社会发展中的问题，化学教学关注对学生应用化学知识解决实际问题能力的培养；化学揭示客观事物本质及其规律的价值取向，要求化学研究应具有怀疑的、思辨的品质，促使化学教学教真实的化学、有用的化学，重视实验探究在化学研究和教学中的作用；而“化学是一门实验的科学”这一学科特点也同样决定了化学研究必须以实验为主要研究手段，化学教学也应引导学生进行以化学实验为主要方式的探究学习。

2化学学科文化的育人功能

教育既是一个知识传授的过程，又是一个文化育人的过程。这就表明学科教育存在两个维度，一是知识维度，即以知识为中心，追求知识的系统性、理论体系的完备性，把对事物的认识作为主要目的的教育。二是文化维度，即以文化为中心，在知识教育基础上关注文化，使学科教育成为关注学生如何适应社会并成为全面发展的人的教育。学科文化是教育最主要的文化资源、最基本的教育内容。从文化视角研究和探索学科教育思想、方法，可以丰富、发展和完善当前的教育理论，有助于开阔教学的视野，优化师生的知识结构。今天的化学教育已经不单纯是化学知识的教育，通过化学课程的实施，培养学生的科学素养和人文精神是化学教育的最终目标。作为中学课程结构中科学领域的一个科目的化学，既是一种科学知识体系，又是一个教育科目。这就决定了化学学科的知识体系，既必须符合科学知识本身的规律，又要符合学生的学习与认知规律，符合学校的教学规律。《普通高中化学课程标准（实验）》明确要求，要在人类文化背景下构建化学课程体系，理解化学课程的人文内涵，发挥化学课程对培养学生人文精神的重要作用；要在化学课程实施中，结合人类探索物质及其变化的历史与现代化学科学发展的趋势，引导学生形成科学的世界观；要从学生已有的经验和将要经历的社会生活实际出发，让学生认识化学与人类生活的密切关系，关注人类面临的与化学相关的社会问题，培养其社会责任感、参与意识和决策能力；要通过化学课程的实施，让学生养成务实求真、勇于创新、积极实践的科学态度。因此，化学学科文化的育人功能是指化学学科文化主体、学科文化场域，以及包括知识理论体系、学科价值体系等在内的学科文化核心要素，对学生理想人格的塑造、价值观念的形成、思维方式与行为习惯的养成等方面施加影响的能力[5~7]。化学学科文化中的价值取向、思维方式、行为规范、语言系统等都是丰富的教育资源，对于学生的成长和发展具有重要的定向和规范作用。在中学化学课程实施中，在重视化学学科知识的教育意义的同时，关注化学学科知识背后潜藏的文化背景和价值体系的教育意义，既能引导学生思维和行为方式的养成，又能培养他们形成认识世界的科学态度与高尚理想人格，从而提高综合素质。

2.1运用化学学科文化，塑造学生的理想人格

人格是人的内在品质结构与外部行为方式的一种相对稳定的个性综合特征。人格既是个人所独有的特质，又是个人经社会化所获得的整体，具有鲜明的时代特征。当代学生的理想人格应该包括“有理想、有信念，具有与时俱进的人生观和价值观；既具有良好的自我意识和独立能力，又具有良好的团队精神和和谐的人际关系；能积极参与社会实践，勇于开拓创新，具有强烈的社会责任感”等。学生人格的塑造事关社会的进步和发展，基础教育承载着帮助学生建构既适应时代的需求又不失学生个性特色的理想人格的任务。徐光宪先生曾经说“化学是一门承上启下的中心学科”。他认为科学可按照它的研究对象由简单到复杂的程度分为上游、中游和下游。数学、物理学是上游，化学是中游，生命、材料、环境、能源等朝阳科学是下游。化学是中心科学，是从上游到下游的必经之地。尽管今天的化学看上去没有那些学科炫耀和光彩，却始终默默地发挥着本学科必不可少的作用。化学学科发展的终极目标是促进人类社会发展。从生产生活实践中孕育产生的化学科学，从诞生之日起就深深打上了服务于人类社会的烙印，化学学科共同体成员在化学学科中所进行的研究都是以服务于人类社会为终极目标的。化学学科不仅与人类的衣、食、住、行等方面密切相关，而且通过与相关学科的渗透、交叉与融合而产生了众多新兴的应用性更强的学科和研究领域，其成果应用极大地推动了人类社会进步和发展，并造福了人类。化学学科服务于社会发展的价值取向能够有效地塑造学生报效社会的价值观，培养学生的社会责任感和使命感。在化学科学发展进程中，许多化学家为化学科学的发展做出了杰出的贡献，他们为科学而献身的事迹是化学学科价值的核心内容。化学家们的事迹是我们进行学科文化教育，塑造学生理想人格的重要资源，门捷列夫对元素周期表的编制、居里夫妇对放射元素镭的发现、候德榜制碱工艺的发明，无一不闪烁着为科学进步和为社会发展坚持信仰、勇于创新、不懈追求的人格力量。而化学学科所取得的每一进步，都体现着“在争论中坚持追求、在合作中取得创新、在坚守中获得成功”的特点，更能对学生进行理想人格的塑造。

2.2运用化学学科文化，培养学生的思维方法

不同的学科中有着各自公认的观察问题、分析问题和解决问题的方式及衡量标准。学生通过学科学习，在耳濡目染中习得了该学科文化定的感知、思维和行为模式，即学会了本学科特有的观察问题、分析问题和解决问题的方式，形成了该学科特定的专业习性。学生在学科学习中形成的学科习性不仅限于专业领域之内观察问题与分析问题的方式，也会（自觉或不自觉地）影响到学生观察社会和世界的方式。化学科学形成和发展过程中经常运用的、具有化学学科特征的化学科学研究方法是很好的培养学生思维方式的素材。化学在研究客观事物及其变化、创造和识别物质的过程中，运用观察、实验、分析比较、假说、建模、概括、归纳和抽象演绎等科学方法，推动了化学科学的发展。例如，化学对物质结构认识所经历的“归纳事实提出假设建构模型发现新的事实实验验证……”的发展模式，化学原理和理论发现（如酸碱理论的发展）经历的“归纳实验事实提出理论假设实践检验……”的发展历程，都是化学教育的重要内容。这一整套科学的学习和训练过程，使得学生在掌握学科知识的同时，不断内化形成看待问题的严谨的逻辑分析能力和思辨的实证精神。因此，在化学学习中形成和发展的科学思维方法，不仅有利于化学学习，而且更能够为学生的终身发展服务。

2.3运用化学学科文化，规导学生的行为习惯

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关键词 微重力科学，基础物理，流体物理，燃烧学，材料科学，生物技术

Abstract In recent years fundamental physics in a microgravity environment has attracted much attention from theoreticians in the international community， and has been given the name of fundamental physics in space. Furthermore， microgravity science has gradually become known as physics in space amongst the space agencies of the chief space countries. However， physics in space has not changed the contents of microgravity science. As the International Space Station nears completion， its member countries are working hard to schedule the microgravity science missions， and important results should be obtained before 2016. On the other hand， plans for space tests on the theories of gravity and general relativity on board special satellites are under way. After the GP-B satellite experiment by NASA， the LISA program for space measurement of gravitational waves aroused broad interest. Physics in space will certainly make great strides in both promoting important scientific achievements and in developing high technology for applications.

Keywords microgravity science， fundamental physics， fluid physics， combustion， materials sciences， biotechnology

1 引言

当一个空间飞行器环绕地球以第一宇宙速度自主飞行时，我们可以选择一个(局部)惯性参考系，其原点位于空间飞行器的质心位置.如果不考虑大气阻力､光辐射压力､质心偏离引起的各种扰动力，则空间飞行器中物体受到的地球引力与运动离心力抵消，物体处于“失重”状态，或者说物体处于微重力水平中.所谓“微重力”是指该处的有效重力水平为地球表面重力水平的10-6.在实际的绕地球飞行器中，有效重力水平与频率相关，低频时达到10-3，高频时优于10-6.除了地面的落塔､抛物线飞行的失重飞机和可达十几分钟的微重力火箭外，用于微重力实验的空间飞行器有返回式卫星和不返回卫星､载人飞船､航天飞机和空间站.各种载人空间飞行器不可避免人的干扰，飞行器中的有效重力很难达到微重力水平;而验证引力理论的高分辨率空间实验需要非常低的飞 (femto，亳微微)重力至阿(atto，微微微)重力环境，一般需要发射专门的基础物理卫星.

随着载人空间活动的发展，人们需要进一步认识微重力环境中的物质运动规律，从而发展了微小重力这种极端环境下的学术领域——微重力科学.在微重力环境中，地球重力的影响极大地减弱，控制地面过程的浮力对流､沉淀和分层以及由重力引起的静压梯度都极大地降低，表面张力和润湿等作用变得突出.从上世纪七八十年代以来，微重力科学主要研究微重力流体物理､微重力燃烧､空间材料科学和空间生物技术.近十余年来，微重力条件提供的高精度物理环境吸引了一批理论物理学家，他们希望利用空间的微重力环境能更好地检验广义相对论和引力理论以及低温原子物理和低温凝聚态物理的许多基础物理前沿问题.这样就形成了微重力科学的一个新领域——空间基础物理.近来，人们常常把这些微重力科学的领域统称为空间的物理学，它是利用微重力环境来研究物理学规律，以区别于在地面重力环境中的物理学.要指出的是，中文的 “空间的物理学”和 “空间物理”是两个不同的概念，后者主要研究太阳系等离子体的运动规律和行星科学，而不涉及基础物理的前沿问题.

2 空间基础物理

2.1 广义相对论验证和引力理论[1]

引力质量mg和惯性质量mi相等的(弱)等效原理是广义相对论爱因斯坦强等效原理假设的基础[12].有文献记载的弱等效原理验证始于牛顿的摆实验，Eotvos的扭称实验更为精确;现代的月-地激光测距实验则检验了强等效原理[12].到目前为止[12]，弱等效原理的实验精度η=2∣mg-mi∣/(mg+mi)已达10-13，在地基实验中已再难提高.现在的一些引力理论认为，将测量精度提高到10-15以上有可能揭示广义相对论的问题，具有很大的学术价值，这只能在空间微重力条件下才能实现[2].国际上蕴酿多年的“等效原理的卫星检验”(STEP)计划，试图将弱等效原理的实验精度提高到10-18.STEP计划一直没有获得美国的立项经费支持，现在的立项经费就更加困难了.目前欧洲一些国家正在争取安排Mini STEP计划，其实验精度为10-15;法国的小型卫星(MicroScope)计划于2010年发射，拟在10-15精度上检验弱等效原理[13].引力探测-乙(Gravity Probe-B， GP-B)计划是美国空间局主持的计划，由美国斯坦福大学GP-B小组负责.该计划的主要任务是验证广义相对论的空间弯曲和拖曳效应，即验证时间和空间因地球大质量物体存在而弯曲(测地效应)，和大质量物体的旋转拖动周围时空结构发生扭曲(惯性系拖曳效应).用4个旋转球体作为陀螺仪，地球引力拖曳会影响球体的转轴.用飞马星座中的一颗恒星校准陀螺自旋轴的方向，用望远镜测量“测地效应”.通过球体转轴进动0.000011度，探测“惯性系拖曳效应”.GP-B卫星于2004年4月发射，2005年9月终止数据采集.原预计2006年夏公布结果，但是，由于电场等因素影响了球体的方位，仍需对其他影响进行研究.现正在加紧分析真正有效的时空信号数据，并尽快宣布观测结论.初步结果显示，较显著的‘测地效应’从数据中完全可见，正在完全证实广义相对论的道路上前进;刚刚看到 “惯性系拖曳效应”的端倪.实验结果似乎验证了广义相对论的理论，人们正在期待着最后宣布的科学结果[3].

引力波是广义相对论理论预言的现象，40年前声称在地面测量到高频引力波，激起引力探测的热潮.低频引力波只能在空间探测.欧洲空间局和美国空间局联合推进空间探测引力波的“激光干涉全球天线”(LISA)计划，它的探测源是108太阳质量的黑洞，相应的频率是10-3—10-1Hz.LISA计划由相距500万公里等边近三角形的三颗卫星组成，每颗卫星分别有2个悬浮的试验质量，位于激光器平台的前端.引力波传到卫星环境中，将引起试验质量微小的位移，通过激光干涉方法测量小于纳米量级的位移，推演出引力波的存在.为了验证LISA计划的关键技术，将于2010年发射LISA Pathfinder卫星，而LISA计划预计在2019年以后发射.引力波探测的成功不仅可以验证广义相对论理论的预言，还将开辟引力波天文学，具有极大的重要性.欧洲空间局将LISA计划列为中､远期的首选项目，美国空间局“超越爱因斯坦”计划两大卫星之一的“大爆炸观测台”卫星也是探讨测量中频(0.1—1.0Hz)引力波.空间引力波探测的学术重要性由此可见一斑.

我国空间科学的发展需要研讨引力理论，研究卫星实验的方案，大家正在集思广益.中国科学院理论物理研究所张元仲及其他专家联合提出TEPO计划，建议在10-16精度内验证弱等效原理和在10-14精度内验证新型的二维等效原理;华中科技大学罗俊等人提出TISS计划，希望利用高精度空间静电悬浮加速度计将检验牛顿引力的反比定律精度提高3个数量级.中国科学院紫金山天文台倪维斗的计划是希望探测低频(5×10-6 — 5×10-3Hz)引力波;中国科学院应用数学研究所刘润球则关注空间的中频(10-2 — 100Hz)引力波探测.这些方案都还在蕴酿过程中.

2.2 空间冷原子物理和原子钟研究

激光冷却和玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)曾分别于1997年和2001年获得诺贝尔物理学奖，它们是当代物理学最活跃的前沿领域之一.BEC有时也称为物质的第五态，它是1925年爱因斯坦预言的物质状态，即当气体温度低于其极限温度时，所有冷原子都聚集在最低量子能态上，表现出玻色子的特证.作为一种新的物质状态，它包含着许多新的基本物理规律，等待人们去探索，诸如物质波及其相干性､低温极限(10-15 K)､量子相变等.另一方面，它蕴育着许多重大的应用前景，诸如原子激光､高精度时标等.微重力环境可以更好地降低气体的温度，改进谱线的宽度和稳定性，提高系统的信噪比，从而为研究提供更好的条件.欧洲空间局的空间BEC研究也正在安排当中.

作为该领域的一个重要应用项目，空间冷气体原子钟的研制受到重视.地面通过激光冷却和冷原子喷泉效应，可以使冷气体原子钟的精度达到10-16.而在微重力环境中，则可以使冷气体原子钟的精度提高一个数量级，从而在军事和民用上产生极大的价值.欧洲空间局和美国国家航空和空间署都将空间冷原子钟研究作为国际空间站的重要研究项目.

中国科学院上海光学精密机械研究所王育竹在地基的BEC研究中取得很好的成果[4]，正在准备研制空间的超高精度冷原子微波钟，精度可达10-17;华东师范大学马龙生提出进行空间高精度光钟研究的建议，精度可达10-18.

2.3 低温凝聚态物理

凝聚态物质在极低温条件下会表现出许多特异的性质，成为物理学的新热点.微重力条件可以实现极小的静压梯度，可以提供更高精度的物理学实验条件，从而在更高精度下验证理论和揭示新的规律.美国喷气推进实验室在航天飞机上完成了液氦在临界温度附近(纳度的精度内)的比热奇异性实验，初步验证了二阶相变的重整化群理论[1].科学家们提出了一批空间实验课题，诸如超流氦相变动力学，连续相变的普适性，气-液临界点的尺度规律，约束于不同几何形状和尺度的液氦性质，相图特殊点附近氦混合物的性质，约束和边界效应，非平衡相变，分形结构和图样形式，临界现象，超流体的流体动力学，量子固体等.这些课题大都需要超低温条件，因而需要空间大型制冷设备，耗资巨大.美国已暂停这方面的研究，中国在短期内还难于安排相关的空间实验条件.

3 微重力流体物理

微重力流体物理是微重力科学的重要领域，它是微重力应用和工程的基础，人类空间探索过程中的许多难题的解决需要借助于流体物理的研究.在基础研究方面，微重力环境为研究新力学体系内的运动规律提供了极好的条件，诸如非浮力的自然对流，多尺度的耦合过程，表面力驱动的流动，失重条件下的多相流和沸腾传热，以及复杂流体力学等.可以引入静Bond数Bo=ρgl2/σ或动Bond数Bd=ρg l2 /(∣σ′T∣ ΔT)来分析重力作用和表向张力作用的相对重要性，其中 ρ，σ， g， l 分别是流体密度､界面的表面张力､有效重力加速度和特证尺度，∣σ′T∣和ΔT分别是表面张力梯度和特征温差.Bond数小于1时，表面张力的作用会大于重力的作用，这要求小的尺度､或小的重力加速度､或小的密度差，对应于小尺度过程､微重力过程､或中性悬浮过程[5].

3.1 简单流体的对流和传热

具有界面的流体体系普遍存在于自然科学和工程应用中.研究热毛细对流的规律，对于空间材料加工､生物技术､燃烧等过程中热毛细对流控制都有重要意义，并对地面电子装置的热控制，食品加工过程，化学工程微电子机械系统(MEMS)，薄膜等小尺度的流动问题也有指导作用.微重力环境中流体的晃动､流体的运动与固体结构的相互耦合是航天工程中经常遇到的问题.对微重力环境中简单流体的传热和传质过程，人们主要研究毛细系统中临界现象和浸润现象，热毛细对流的转捩过程和振荡机理，液滴热毛细迁移及相互作用规律等方面.流体管理研究也是微重力工程中的重要课题.

3.2 多相流的传质和传热

微重力气/液两相流动与传热研究的主要对象包括两相流动的流型､沸腾与冷凝传热､混合与分离等现象，对我国载人航天技术(如航天器热与流体管理系统､空间站与深空探测器等大型航天器动力系统､载人航天器环控生保系统以及空间材料制备与空间生物技术实验等)的发展有直接的应用价值.在微重力环境中，重力作用被极大地抑制甚至完全消除，更能凸显气､液､固相间的传递机制，便于更深刻地揭示其流动与传热机理.借助于微重力气液两相流动与传热的深入研究，对我国实现能源战略需求和地面常重力环境中的石油､化工､制造等相关技术开发与应用也有重要指导意义.3.3 复杂流体

复杂流体是一种分散体系，它指的是具有一种或几种分散相的物质体系，也有人称之为软物质.在重力条件下，复杂流体的许多行为特征会受对流､沉降､分层等干扰，而微重力条件则有助于研究在地面上被重力作用所掩盖的过程，特别是分子间的相互作用力.微重力复杂流体研究包括:胶体的聚集和相变研究;悬浮液和乳状液的稳定性研究;复杂等离子体的结晶研究;气溶胶的稳定性和聚集行为研究;对颗粒体系本征运动行为的研究;临界点现象的研究;以及材料制备､石油开采和生物流体的相关问题研究.随着人类深空探测活动的展开，对不同重力场中分散体系物质的操作与输运的要求，以及对其运动规律认知的需求十分迫切.空间科学实验不仅能够使我们获得新的科学知识，而且其科学成果对于地面材料及器件制备工艺的创新具有重要指导意义.对复杂流动现象的研究在材料设计中起到了切实的作用，如对复杂流体自组织现象的研究成果已经应用于纳米结构材料和器件的研制.近年来，复杂流体(软物质)的力学和物理学，接触角､接触线和浸润现象等与物理化学密切相关的领域也越来越受到关注[6].

3.4 近期的空间实验

随着国际空间站的逐步安装，国外微重力空间实验的项目将逐步进行.目前己经纳入计划中的项目有:

毛细流动:不同形状､介质､浸润性､流体管理;

热毛细对流;

流体的梯度涨落;

Soret 系数测量;

近临界和超临界流体;

蒸发和冷凝过程:流体的热管理;

沸腾传热;

颗粒材料行为;

胶体和乳剂聚集和稳定性;

泡沫稳定性.

“十一·五”期间，国家安排了进行空间微重力科学和空间生命科学研究的“实践-10”卫星，将完成10项微重力科学的空间实验.这些实验包括空间热毛细对流､具有蒸发界面的对流､颗粒材料物理､沸腾传热､复杂流体的结晶等流体物理空间实验项目.同对，在载人航天工程第二阶段中，还要安排半浮区液桥､多液滴相互作用､复杂流体稳定性､多相流传热等空间实验项目.我国的微重力流体物理已有较好基础，将会做出较大贡献.

微重力流体物理所涉及的许多过程与微尺度流动中的过程有许多相似性，引起人们的兴趣.以中国科学院力学研究所国家微重力实验室为主的流体物理研究有不少建树，获得国际同行的好评.

4 燃烧科学

燃烧是一门古老的学科，而地面的燃烧过程都是和浮力对流密切耦合在一起的，给模型化研究增加了难度.微重力条件下基本上没有浮力对流的影响，为研究燃烧的化学反应过程提供了极好的机遇.1957年，东京大学Kumagai教授的0.5s落塔实验研究了乙醇棉球的微重力燃烧过程，开创了微重力燃烧的实验研究和利用落塔进行微重力实验的时代.落塔设施己成为进行微重力燃烧实验的有力工具.

微重力燃烧涉及了地面燃烧学的主要领域，美国国家航空和空间署将微重力燃烧作为重要的研究方向，欧洲和日本空间局也十分重视.几乎地面主要的燃烧过程都进行了空间微重力实验，诸如预混气体燃烧､气体扩散燃烧､液滴燃烧､颗粒和粉尘燃烧等，并研究了典型气体环境中燃料表面的点火和传播，流动过程与燃烧的耦合等，发现了一些新现象，例如燃烧的分散球状分布等.在许多微重力燃烧过程中，除了通常的吹熄极限，还有辐射损失引起的冷熄极限，这只能在微重力环境中才能观测到.微重力燃烧的研究除了具有重大的机理意义以外，还在于:利用对燃烧过程的深刻理解，改进地面燃烧过程的效益;利用对燃烧产物的进一步分析，改进地面燃烧产物污染环境.中国的能源将在较长时间内以煤作为主要燃料，应加强微重力煤燃烧的研究[7].

载人飞行器的安全防火是微重力燃烧的重大课题，自从阿波罗1号飞船在地面着火，烧死3名宇航员后，美国国家航空和空间署就把防火安全作为载人航天的首要问题.特别是今后的长期载人飞行任务，使防火任务更加严重.需要研究典型气体氛围下沿固体表面的着火条件､火焰传播过程和熄火条件;还要研究闷烧的各种条件.除进行相应的模拟研究外，还要进行大量的落塔实验，对逐个上天的非金属材料和某些金属材料进行典型气体环境下的燃烧实验.同时，还需要制订载人飞行器的防火规范.美国和俄罗斯各自建立了他们的载人航天材料筛选和防火规范，但载人航天器中的着火事件仍有发生.因为载人航天器内存在着火的条件，问题不可能完全解决.特别是在载人探索火星等长时间飞行任务中，防火规范还是一个需要进一步探讨和研究的课题[8].

中国科学院工程热物理研究所和力学研究所进行了一些微重力燃烧的研究工作.近年来，清华大学和华中科技大学等煤燃烧重点实验室开始关注微重力的煤燃烧研究.在“十一·五”期间，非金属材科燃烧､导线的烧燃､煤的燃烧等项目己列入空间实验计划，应能取得好的结果.

5 材料科学

空间材料科学曾是微重力科学中耗资最大的领域，材料科学各分支领域的学者都希望在空间微重力环境中去研究凝固过程的机理和制备高质量的材科.空间微重力环境是制备､研究多元均匀块体材料的最佳场所，其主要特征就是消除了因重力而产生的沉降､浮力对流和静压力梯度.由于浮力减弱，密度分层效应的消失，可以使不同密度的介质均匀地混合.由于空间微重力环境中静压力梯度几乎趋于零，因而能提供更加均匀的热力学状态.这种条件更有利于研究物质的热力学本质和流体力学本质，探索､研制新型的材料和发现材料的新功能.目前空间材料科学研究的重点是利用空间实验的成果改进地面材料制备技术，以及利用空间微重力环境测量高温熔体的输运系数.在国际空间站的欧洲､美国和日本压力舱中，都有材料研究的专柜.

利用微重力环境进行材料科学研究，不仅可以发展材料科学理论，还可以发展新型材料和新型加工工艺.微重力环境可以制备出一些比地面更好的高品质材料，空间材料科学的进展及空间材料制备的技术可以改进空间和地面的材料加工，特别是为地面的晶体生长和铸造技术提供帮助.空间材料科学涉及的领域有金属材料､半导体材料､光学晶体材料､纳米材料和高分子与生物医学材料等[9].

我国空间材料科学目前面临相当大的困难.克服这些困难，目前一方面可充分利用国际合作(俄罗斯､日本)，另一方面，我们需要面对现实，以地基实验为主，在加强国际合作的同时，扩大该领域的研究团队，同时该学科需要进一步凝炼学科方向和科学问题，今后应该创造条件开展空间材料科学研究.我国空间材料科学在林兰英先生的倡导和指导下，一批学者积极参与，取得了重要学术成果.“十一·五”期间，我国的SJ-10卫星计划和载人航天工程(第二阶段)计划中都分别安排了多功位材料实验炉的空间实验，应能做出一批较好结果.

6 生物技术

空间生物技术促进了生物技术的定量化和模型化研究，促进了新的实验方法和仪器设备的发展，具有重要学科意义.另一方面，空间生物技术有很强的应用背景，可以改善人类的健康和发展生物产业，是空间商业计划的新方向.目前，空间生物技术的主要研究方向是蛋白质单晶生长和细胞/组织的三维培养.

晶体衍射法仍然是当今研究生物大分子结构和功能的主要方法，获得高质量的大尺寸蛋白质单晶就是一项艰难的任务.溶液法生长蛋白质晶体受到许多因素的影响，微重力环境可以更有效地提供扩散为主的输运环境以及实现失重条件下的无容器过程和较好的界面控制，使空间的蛋白质单晶生长显示出许多优点.各国空间局都安排了大量的空间蛋白质单晶生长实验，而且取得很大进展.但并不是所有空间实验都取得好结果，也有不少不成功的实验.机理研究表明，蛋白质晶体生长过程取决于溶质的输运过程和非线性的界面动力学过程;对于不同的生长条件，可以从实验和理论上具体分析这两个过程的作用.由于蛋白质晶体生长过程的复杂性，重力因素只是生长过程中诸多因素之一，机理研究还有待进一步完善.国际上有人认为液/液体系较好，也有人认为液/气体系较好.大家都在争取更多的空间实验，以取得更多的积累.空间蛋白质单晶生长己成为有重要应用前景的商业计划项目[10].在微重力环境中实现了三维的细胞/组织培养，开创了一片新天地.地球表面的重力作用，使细胞培养器中的附壁效应十分显著，一般都需要外加旋转效应.旋转效应引起的剪切力作用于被培养的细胞，将改变其性能，使被培养细胞或组织的性能发生较大变化.人们在地面利用三维旋转器来模拟某些微重力效应的同时，还进行了大量空间细胞/组织培养的实验，包括从细菌到哺乳动植物广泛类群的细胞.空间的生物反应器实验的结果表明，失重条件下的三维细胞培养极大地改善了地面细胞的培养条件，并己获得了一些很好的成果.随着空间生物反应器实验工作的进展，空间细胞/组识培养己经显示出重要的商业应用前景[11].

中国科学院生物物理研究所是我国从事空间蛋白质单晶生长研究的主要单位，动物研究所和力学研究所在细胞三维培养方面做了许多研究工作.

目前，国际空间活动正在调整探索方向，微重力研究遇到经费紧缺的困难.今后十余年的基础物理大型探测集中于LISA计划，一些中､小型计划正在考虑之中.国际空间站将于2010年完全建成，欧洲空间局的哥伦布舱和日本的希望舱段己分别与国际空间站主体对接.今后十年将是国际空间站出成果的时期，预计会完成一大批空间微重力实验.我国空间科学规划将微重力科学列为持续发展领域;我国载人航天工程第二步将建空间实验室，第三步将建空间站.今后15年将是我国微重力科学发展的好时期，我们要抓紧机遇，安排好计划，努力做出好成绩.

参考文献

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[2] 李杰信.追寻兰色星球.北京:航空工业出版社，2000

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[4] 王育竹，王笑鹃. 物理，1993，22:16[Wang Y Z， Wang X J. Wuli(Physics)， 1993，22:16(in Chinese)]

[5] 胡文瑞，徐硕昌. 微重力流体力学. 北京: 科学出版社，1999

[6] 孙祉伟. 力学进展，1998，28:93[San Z W. Advances in Mechanics， 1998，28:93(in Chinese)]

[7] 张夏.力学进展，2004，34:507[Zhang X. Advances in Mechanics， 2004， 34:507(in Chinese)]

[8] 张夏.力学进展，2005，35:100[Zhang X. Advances in Mechanics，2005，35:100(in Chinese)]

[9] Regel L L. Materials Processing in Space， New York & London， Consultants Bureau， 1990

[10] 毕汝昌.空间科学学报，1999，19(增刊):9[Bi R C. Chin. J. Space Sci.， 1999，19(supplement):9(in Chinese)]

[11] 丰美福.空间科学学报，1999，19(增刊):17[Feng M F. Chin. J. Space Sci.， 1999，19(supplement):9(in Chinese)]